Лазерный диод для уровня. Лазерные диоды для определения уровня влажности: принцип работы и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как работают лазерные диоды для измерения влажности. Какие преимущества они дают при определении уровня влаги. Где применяются лазерные диоды для контроля влажности. Какие характеристики важны при выборе лазерного диода для измерения влажности.

Содержание

Принцип работы лазерных диодов для измерения влажности

Лазерные диоды, работающие на длине волны около 1850-1860 нм, широко применяются для точного измерения уровня влажности в различных средах. Их принцип действия основан на поглощении излучения молекулами воды.

Основные этапы работы лазерного диода для определения влажности:

Генерация узкополосного лазерного излучения на заданной длине волны
Прохождение луча через анализируемую среду
Частичное поглощение излучения молекулами воды
Регистрация ослабленного сигнала детектором
Расчет концентрации влаги по степени поглощения излучения

Ключевое преимущество лазерных диодов — возможность генерировать излучение очень узкой спектральной ширины, что обеспечивает высокую селективность и точность измерений.

Преимущества лазерных диодов для контроля влажности

По сравнению с традиционными методами измерения влажности, лазерные диоды обладают рядом важных преимуществ:

Высокая точность и чувствительность измерений
Быстрый отклик и возможность измерений в реальном времени
Бесконтактный метод, не требующий отбора проб
Возможность измерений в агрессивных и взрывоопасных средах
Длительный срок службы и стабильность характеристик
Компактные размеры и низкое энергопотребление

Эти преимущества делают лазерные диоды оптимальным выбором для многих промышленных и научных задач по определению влажности.

Области применения лазерных диодов для измерения влажности

Лазерные диоды для контроля влажности нашли широкое применение в различных отраслях:

Мониторинг влажности в производственных процессах
Контроль качества в пищевой и фармацевтической промышленности
Измерение влажности природного газа при добыче и транспортировке
Определение влажности в системах вентиляции и кондиционирования
Мониторинг влажности почвы в сельском хозяйстве
Контроль влажности в производстве бумаги и текстиля
Измерение влажности в исследовательских лабораториях

Универсальность и точность лазерных диодов позволяет использовать их практически во всех сферах, где требуется надежный контроль влажности.

Ключевые характеристики лазерных диодов для измерения влажности

При выборе лазерного диода для систем контроля влажности следует учитывать следующие важные параметры:

Длина волны излучения (обычно 1854-1856 нм)
Выходная мощность излучения
Спектральная ширина линии излучения

Стабильность длины волны
Диапазон рабочих температур
Быстродействие модуляции
Тип и размер корпуса

Оптимальный выбор этих характеристик позволяет создать высокоточную и надежную систему измерения влажности для конкретного применения.

Конструкция и особенности лазерных диодов для измерения влажности

Лазерные диоды для контроля влажности имеют ряд конструктивных особенностей:

Использование специальных полупроводниковых материалов (InGaAs, InP) для генерации излучения нужной длины волны
Многослойная гетероструктура для повышения эффективности
Узкая активная область для обеспечения одномодового режима
Встроенный элемент Пельтье для термостабилизации
Оптическое волокно для вывода излучения (в некоторых моделях)
Герметичный корпус для защиты от внешних воздействий

Такая конструкция обеспечивает стабильные характеристики излучения, необходимые для точных измерений влажности.

Методы повышения точности измерений влажности с помощью лазерных диодов

Для достижения максимальной точности определения влажности с помощью лазерных диодов применяются следующие методы:

Использование второй опорной длины волны для компенсации посторонних влияний
Модуляция длины волны излучения для сканирования линии поглощения
Применение многопроходных оптических ячеек для увеличения чувствительности
Стабилизация температуры и тока питания лазерного диода
Цифровая обработка сигнала и калибровка по эталонным образцам

Комбинация этих методов позволяет создавать высокоточные анализаторы влажности на основе лазерных диодов с погрешностью менее 1%.

Перспективы развития лазерных диодов для измерения влажности

Основные направления совершенствования лазерных диодов для контроля влажности включают:

Повышение мощности и КПД излучения
Улучшение температурной стабильности характеристик

Расширение диапазона перестройки длины волны
Уменьшение размеров и энергопотребления
Интеграция с другими компонентами в едином чипе
Снижение стоимости при массовом производстве

Эти усовершенствования позволят создавать еще более точные, компактные и доступные системы контроля влажности на основе лазерных диодов.

Тематические статьи по фотонике

Рубрика: Технологии

Выбор контроллера для лазерного диода. Рекомендации Thorlabs

Выбор правильного контроллера лазерного диода важен для правильной работы диода и его долговечности. В этом разделе компания Thorlabs рассматривает некоторые из необходимых соображений при выборе правильного контроллера для лазерного диода. Большинство драйверов лазерных диодов допускают прямую аналоговую модуляцию, функцию, которая полезна для таких задач, как расширение ширины полосы и стабилизация длины волны, а также включение / выключение модуляции излучения лазера.

Основы работы с драйвером лазерного диода

Идеальным контроллером лазерного диода был бы линейный, бесшумный и точный источник постоянного тока. Лазерные диоды – это, по своей сути, электрические устройства, и, следовательно, для точной работы диодов необходим постоянный и точный контроль тока. Важно отметить, что контроллеры напряжения не справляются с этой задачей. Несмотря на то, что они осторожно увеличивают напряжение при включении, они не регулируют ток, что может привести к значительным и, возможно, катастрофическим — колебаниям тока для передачи на диод. Невозможно использовать источник постоянного напряжения для управления лазерным диодом.

Контроллеры тока предназначены для управления постоянным и линейным током и могут управлять диодами в широком диапазоне сопротивлений. Кроме того, они являются источниками с низким уровнем шума. Токовый шум преобразуется лазерным диодом в частотный шум. Для некоторых широкополосных лазеров это может быть не особенно заметно. Однако влияние шума усугубляется в лазерах со стабилизированной длиной волны или узкой шириной полосы, таких как одночастотные лазеры, где необходима точная работа.

Кроме того, источники тока сконструированы таким образом, что они не будут увеличивать ток, если он достигнет предельного напряжения; это то, чего не может сделать источник постоянного напряжения (еще одно предупреждение против использования источника напряжения для управления лазерным диодом). Напряжение согласования обычно является врожденным свойством драйвера тока, хотя некоторые модели имеют регулируемый предел напряжения, важно убедиться, что напряжение согласования драйвера тока соответствует лазерному диоду. Следует отметить, что, когда ток регулируется напрямую через контур обратной связи, необходимо контролировать реакцию контура. Это необходимо для предотвращения перегрузки лазерного диода. Требуется полный контроль над контуром обратной связи.

Есть некоторые ключевые характеристики источников тока, которые следует учитывать перед принятием решения о покупке. Источник тока должен быть адаптирован к лазерному диоду; не существует универсального источника тока. Например, если лазерный диод с максимальным номинальным током 180 мА, следует выбрать источник тока с максимальным выходом как можно ближе к нему (например, в данном случае 200 мА).

Токовый шум от источника масштабируется с максимальным выходным током. Если используется источник 1 А для лазера на 180 мА, то напрасно вносится шум в систему. Кроме того, легко подать слишком большой ток, если не соблюдать осторожность, что уменьшает срок службы лазерного диода. Лучше всего подгонять драйвер под диод. Кроме того, все контроллеры тока лазерных диодов будут иметь короткозамкнутый выход, медленный запуск, защиту от перенапряжения, подавление переходных процессов в линии питания и ограничение тока. Многие также предлагают функцию постоянной мощности в дополнение к режиму работы с номинальным постоянным током.

Короткозамкнутый выход

Особенность короткозамкнутого выхода помогает обеспечить защиту от повреждения электростатическим разрядом (ESD), когда диод подключен к источнику питания. Короткозамкнутый выход сохраняет потенциал на выходе неизменным, когда выход источника тока отключен. Обычно короткозамкнутый выход может быть реализован через реле или полевой транзистор (FET). Различие в том, что реле будет поддерживать защиту от короткого замыкания, даже когда сам источник тока выключен, тогда как полевой транзистор может поддерживать свою защиту только при включении источника питания.

Медленный запуск

Функция медленного запуска помогает обеспечить защиту от переходных процессов, когда включен источник тока. Во время медленного запуска выходной ток лазерного диода чрезмерно демпфируется, что обеспечивает его постепенное увеличение. Как только переходные процессы подавлены, источник тока будет выводить свой полный ток. Времени медленного запуска, около 100 мс, достаточно, чтобы гарантировать, что переходные процессы от включения подавлены.

Защита от перенапряжения

Защита от перенапряжения помогает обеспечить защиту от колебаний тока, вызванных изменением импеданса цепи. Нагрузки с высоким сопротивлением могут вызвать насыщение цепи управления током, не позволяя достичь установленного значения. И наоборот, если полное сопротивление уменьшается быстро, регулировка тока будет принудительно достигнута пределом короткого замыкания. В любом случае лазер может выйти из строя, что может привести к повреждению. Защита от перенапряжения отключит ток контроллера в случае перенасыщения контура управления.

Подавление переходных процессов в линии питания

Эта функция помогает обеспечить защиту от переходных процессов в сети переменного тока, скачков высокого напряжения и быстрых электронных переходных процессов (EFT). Емкостные фильтры и правильно экранированные трансформаторы помогают исключить переходные процессы, которые попадают на входную мощность регулятора тока и не достигают самого лазерного диода. Этот тип подавления переходных процессов может защитить лазерные диоды только от переходных процессов в линии питания контроллера. Следует отметить, что подавление переходных процессов в линии питания не может защитить от переходных процессов, которые излучаются непосредственно в лазер или приводные кабели (например, загрязнение EFT).

Два примера источника питания с ограничением по току

Ограничение тока

Ограничение тока защищает от чрезмерного тока возбуждения в результате случайной регулировки, аналоговой модуляции или работы с постоянной мощностью. Ограничение по току устанавливает жесткое ограничение для тока схемы контроллера. Эта функция не только предотвращает случайную установку слишком высокого тока для лазерного диода, но также ограничивает выходной ток в случаях, когда модуляция может вызвать перегрузку по току. Большинство современных регуляторов тока лазерных диодов имеют такое ограничение; однако характеристики могут отличаться при аналоговой модуляции. Контроллеры могут фиксировать ток точно на пределе, предотвращая превышение током привода предельного значения во всех случаях.

Режим постоянной мощности

Некоторые модели диодных драйверов имеют режим работы с постоянной мощностью. Чтобы использовать эту функцию, лазерный диод должен иметь встроенный фотодиод. Обязательно нужно отметить, заземлен ли фотодиод: анод или катод, и убедиться, что на драйвере выбран правильный режим. Рекомендуется устанавливать предел мощности на значение, которое ниже абсолютной максимальной номинальной мощности для диода, поскольку работа с постоянной мощностью не так точна, как работа с постоянным током, поскольку этот режим зависит от эффективности связи фотодиода и линейности его отклика.

Модуляция драйвера лазерного диода

В зависимости от применения может быть полезно модулировать ток лазерного диода. Он может принимать форму модуляции слабого или сильного сигнала. Для этого контроллеры тока обычно имеют входы с внешней аналоговой модуляцией и триггерный вход для внешней синхронизации (TTL). Модуляция слабого сигнала – это модуляция, которая обычно составляет небольшой процент от общего выходного тока. Его можно использовать либо для расширения ширины линии, либо для точного управления длиной волны (например, для привязки длины волны к внешнему сигналу, например, к поглощению насыщения или к сигналу синхронизации дихроичного лазера на атомном паре).

С другой стороны, сильная модуляция сигнала может управлять выходным сигналом от 0% до 100% от заданного значения. Это можно сделать либо через аналоговый вход модуляции, либо через цифровой вход TTL. Аналоговая модуляция позволяет осуществлять непрерывную модуляцию тока, подаваемого на лазерный диод, и, если она управляется синусоидальной волной, то может реализовать полную ширину полосы модуляции. Чтобы предотвратить искажения выходной мощности лазерного диода, нижний уровень модулирующего сигнала должен соответствовать значению тока, которое чуть выше порогового тока для лазерного диода. Цифровая модуляция TTL будет включать / выключать прямоугольную волну. Однако следует отметить, что использование прямоугольной волны уменьшает функциональную ширину полосы модуляции. Это связано с тем, что прямоугольные волны содержат большое количество высокочастотных компонентов.

В общем, существует три параметра, которых необходимо придерживаться при модуляции лазерного диода: коэффициент модуляции, входное сопротивление и ширина полосы модуляции, все из которых обсуждаются ниже. Эти значения зависят от текущего контроллера и будут перечислены в технических характеристиках контроллера. Кроме того, некоторые драйверы будут поддерживать режимы вывода с низкой пропускной способностью (CW) и высокой пропускной способностью. Для таких драйверов настройка низкой полосы пропускания предназначена для вывода CW и может не подходить для модуляции, выходящей за рамки низкочастотной модуляции слабого сигнала. Режим вывода с высокой пропускной способностью предназначен для целей модуляции и имеет более широкую полосу пропускания модуляции.

Модуляция источника тока

Коэффициент модуляции

Коэффициент модуляции, иногда называемый передаточной функцией, представляет собой преобразование напряжения модуляции в выходной ток (обычно выражаемый в мА/В). Например, LDC202C имеет коэффициент модуляции (в режиме постоянного тока) 20 мА/В. Сигнал модуляции +1 В постоянного тока увеличит выходной ток на 20 мА по сравнению с установкой (поэтому, если контроллер установлен на 100 мА, добавление этого сигнала модуляции постоянного тока увеличит выходной сигнал до 120 мА). И наоборот, сигнал -1 В постоянного тока снизит выходной сигнал на 20 мА.

Модуляция также может быть достигнута с помощью сигналов; если использовать синусоидальную волну 200 кГц с размахом напряжения 2 В с центром на 0 В, то выходной ток будет иметь значение от 80 до 120 мА при 200 кГц (заданное значение при 100 мА).

Большинство современных источников питания позволяют использовать для модуляции сигналы произвольной формы, но следует отметить, что при использовании формы волны, отличной от синусоидальной, ширина полосы модуляции будет уменьшена.

Входное сопротивление

Входное сопротивление — это сопротивление цепи модуляции, интегрированной в регулятор тока. Она имеет номинальный диапазон от 50 Ом до 10 кОм (например, LDC202C имеет входное сопротивление 10 кОм). Функциональные генераторы обычно имеют выходное сопротивление около 50 Ом. Это означает, если входное сопротивление регулятора тока низкое, функциональный генератор будет загружен довольно значительно, вызывая искажения выходной волновой функции. В этом случае трюк состоит в том, чтобы установить модуляцию с генерацией функции, подключенной к источнику тока, но с отключенным токовым выходом. Это позволит просматривать сигнал модуляции, не подвергая риску сам лазерный диод. Как только уровни модуляции и частота установлены на желаемый выход, можно включить токовый выход.

Полоса пропускания модуляции

Ширина полосы пропускания модуляции, которая часто устанавливается точкой 3 дБ, представляет собой диапазон частот модуляции, который можно использовать без значительных искажений в выходном токовом сигнале. LDC202C имеет небольшую полосу пропускания сигнала от постоянного тока до 250 кГц, что означает, что ток может быть модулирован малым сигналом синусоидальной волной до 250 кГц без значительных искажений выходного тока. Это, опять же, означает, что использование формы волны, отличной от синусоиды, уменьшит функциональную полосу модуляции. Например, прямоугольная волна уменьшит полосу пропускания примерно в 10 раз.

Перегрузка модуляции приведет к искажению и ограничению выходного сигнала лазерного диода. Кроме того, модуляция на более высоких частотах вызовет приблизительный сдвиг π-фазы между формой волны модуляции и выходной интенсивностью лазерного диода (хотя в пределах полосы пропускания источника тока выходной сигнал не будет значительно искажен). При модуляции на высоких частотах с помощью прямоугольной волны следует отметить, что на выходе будет колебаться (из-за множества более высоких частот). Это колебание может на короткое время превысить ограничение по току.

Источник тока сильно перегружен прямоугольной волной

Источник тока модулируется на высоких частотах (в пределах полосы пропускания контроллера)

Модуляция на высоких частотах с помощью прямоугольной волны

Контроллеры лазерных диодов Thorlabs

Когда дело доходит до выбора контроллера лазерного диода, есть над чем подумать. Однако, потратив время, оценив потребности системы и сопоставив контроллер с лазерным диодом, можно найти правильный драйвер, обеспечивающий точную и долговечную работу. Thorlabs предлагает разнообразную линейку драйверов для лазерных диодов.

Контроллеры тока серии LDC — это популярный выбор, который может удовлетворить большинство потребностей в приложениях с лазерными диодами и доступен как в моделях с низким, так и с высоким энергопотреблением. Эти источники тока бесшумны, обеспечивают короткозамкнутый выход, медленный запуск и регулируемый предел тока с фиксатором модуляции.

Контроллеры PRO8 включают в себя все необходимые средства защиты для работы контроллеров лазерных диодов серии LDC. Эти контроллеры, больше ориентированы на промышленное применение и могут безопасно управлять несколькими лазерными диодами. Опции Ethernet позволяют удаленное управление.

Контроллер лазерного диода K-Cube™ использует встроенное программное обеспечение Kinesis® для управления установленным лазерным диодом с любой конфигурацией контактов. Прибором можно управлять с помощью элементов управления на верхней панели или с ПК через USB-соединение.

Thorlabs также производит множество контроллеров тока и температуры для лазерных диодов. Эти контроллеры предлагают надежность и защиту своих независимых блоков, предлагая при этом компактный и удобный единый корпус. Все те же соображения, перечисленные выше, применимы к этим контроллерам. Важно изучить свойства и возможности этих контроллеров, чтобы оценить, подходят ли они для конкретной системы.

Вернуться в рубрику

Лазерные одномодовые диоды для определения уровня влажности, модель EP1854-0-DM

Категории товаров

Рейтинг:

Увеличить изображение

Производитель: Eblana Photonics, Ирландия

Лазерные диоды Eblana Photonics EP1854-0-DM работают на длине волны 1854 нм. Лазерный диод EP1854-0-DM генерирует стабильное излучение высокой точности и широко применяется для различных систем контроля влажности. Компания Eblana Photonics производит лазерные диоды по своей запатентованной технологии DM-technology, благодаря которой возможно перестраивать длину волны лазерного диода с точностью до 2 нм. Применяемые технологии позволяют достигать одномодового излучения в узком диапазоне и высокого коэффициента подавления боковых мод.

График 1. Спектр излучения лазерного диода при температуре 25°С

Мощность, дБ
Длина волны, нм

График 2. Выходная мощность лазерного излучения как функция от величины тока

Мощность, мВт
Ток, мА

ЭЛЕКТРО-ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРНОГО ДИОДА (Т=25°С)

Параметры	Обозначение	Мин. значение	Сред. значение	Макс. значение	Ед. измерения
Диапазон длин волн	λ	1850	1854	1856	нм
Допуск по длине волны	λspec	Λ-1	Λ	Λ+1	нм
Коэффициент подавления боковых мод	SMSR	30	40	—	дБ
Пороговый ток	Ith	—	20	25	мА
Выходная мощность в волокне	Pf	—	4	—	мВт
Ширина линии излучения	Δf	—	2	—	МГц
Коэффициент температурной подстройки	Tλ	0,07	0,1	—	нм/°С
Коэффициент токовой подстройки	Iλ	10	15	—	пм/°С
Дифференциальный КПД	SE	0,05	0,1	—	мВт/мА
Сопротивление термистора	RT	9,5	10	10,5	кОм
Температурный коэффициент термистора	C	—	-4,4	—	%/°С

МАКСИМАЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ ЗНАЧЕНИЯ

Параметры	Обозначение	Мин. значение	Макс. значение	Ед. измерения
Рабочий ток	If	—	120	мА
Рабочее напряжение	Vf	—	2	В
Ток элемента Пельтье	ITEC	—	1,2	А
Обратное напряжение лазерного диода	Vr	—	2	В
Обратное напряжение фотодиода	Vrev	—	20	В
Температура корпуса	TCase	-20	65	°С
Температура чипа подкачки	TSub	0	50	°С
Температура хранения	Tstorage	-40	85	°С

КОРПУС

Лазерные диоды EP1854-0-DM выпускаются в 14-пиновом корпусе тип «Бабочка», ТО-39 с температурным контроллером, ТО-56, DX1 с драйвером и температурным контроллером

Срок поставки: 20 дней

Модель	Корпус	Цена
EP1854-0-DM	14-Pin Butterfly	По запросу
EP1854-0-DM	DX-1 Module	По запросу
EP1854-0-DM	TO39	По запросу
EP1854-0-DM	TO56	По запросу

Зарегистрируйтесь, чтобы создать отзыв.

Лазерные диоды — Fiberguide

24 Июл Лазерные диоды

Лазерные диоды играют важную роль в большинстве оптических коммуникаций, от помещений с малым радиусом действия и центров обработки данных до сверхдальних наземных сетей и трансокеанских подводных систем. На основе работы светоизлучающего диода (СИД) обсуждаются усовершенствования, необходимые для преобразования СИД в лазерный диод. Хотя основное внимание в статье уделяется тому, как работает лазер Фабри Перо, также кратко описаны другие типы лазерных диодов. В конце статьи вы должны быть в состоянии описать, как стимулированное излучение и усиление достигаются в лазерных диодах, и быть знакомыми с такими терминами, как поглощение света, спонтанное излучение, вынужденное излучение, инверсия населенностей, усиление и продольные моды Фабри. Лазер Перо. Кроме того, вы должны ознакомиться с распространенными типами полупроводниковых лазеров, используемых в оптических сетях, и их важными свойствами.

Спонтанное излучение, поглощение и вынужденное излучение

Напомним из статьи о светоизлучающих диодах, что процесс объединения электронов и дырок в обедненной области PN-перехода можно лучше всего описать диаграммами энергетических уровней, как показано ниже. Когда к электрону прикладывается энергия в виде прямого напряжения смещения, он может перейти в зону проводимости более высокого энергетического уровня. Когда он в конце концов возвращается в зону проводимости, он высвобождает энергию, равную разнице энергий между энергетическими зонами. Высвобожденная энергия проявляется в виде фотона света. Такой выброс фотона называется самопроизвольное излучение .

В дополнение к смещенному в прямом направлении напряжению другим источником энергии, способным перевести электрон в более высокую зону проводимости, является фотон света. Если фотон находится в сложном полупроводниковом материале, он может передавать свою энергию электрону и продвигать электрон в зону проводимости. В этом процессе мы имеем поглощение , поскольку энергия фотона поглощается электроном . Обратите внимание, что если возбужденный электрон в конце концов упадет обратно в валентную зону, он также будет выделять энергию в виде фотона, и этот процесс по-прежнему будет спонтанным излучением.

Особый и очень важный случай в лазерах возникает, когда фотон проходит мимо уже возбужденного электрона, находящегося в зоне проводимости. Поскольку электрон уже находится на более высоком энергетическом уровне или более высоком потенциале, требуется лишь бесконечно малое количество энергии фотона, чтобы вызвать его падение. Это аналогично небольшой силе слабого ветра, сбивающей великана, стоящего на краю обрыва. Поскольку требуется лишь незначительное количество энергии, фотон может заставить электрон упасть в валентную зону без потери самим фотоном сколько-нибудь заметного количества энергии. это 9Процесс стимулированного излучения 0009 приводит к появлению двух идентичных фотонов, исходного падающего фотона и нового сгенерированного фотона. Чтобы получить более количественное представление о вынужденном излучении, прослушайте лекцию «Аргумент Эйнштейна: необходимость спонтанного излучения».

Инверсия населенностей в лазерных диодах

Как указано в статье о светодиодах, электроны предпочитают находиться в нижней валентной зоне, чем в более высоких энергетических состояниях. В условиях нормального равновесия статистическое распределение электронов таково, что подавляющее их число находится в основном энергетическом состоянии и лишь небольшой процент находится в возбужденном состоянии. Накачка — это процесс возбуждения большего количества электронов в зону проводимости для возникновения генерации, и ее можно достичь, подав прямое смещенное напряжение в случае лазерных диодов. Когда к PN-переходу прикладывается определенный порог напряжения, в зоне проводимости будет больше возбужденных электронов, чем в нижней валентной зоне — процесс, известный как инверсия населенностей. Накачка также может быть достигнута за счет поглощения света накачки в некоторых лазерах с оптической накачкой. Но даже в случае лазеров с электрической накачкой, таких как обсуждаемые лазерные диоды, часть излучаемого света может поглощаться электронами и способствовать инверсии населенностей. Для более глубокого понимания процесса инверсии населенностей обратитесь к описанию статистики Ферми-Дирака.

Инверсия населённостей обеспечивает изобилие возбужденных электронов, которые будут излучать свет, что приводит к усилению . Как только два фотона возникают в результате одного стимулированного события, каждый из них также может запускать событие стимуляции, в результате чего получается четыре фотона, а четыре фотона дают начало восьми и так далее. Таким образом, один спонтанно испускаемый фотон может вызвать эффект домино вынужденного излучения, приводящего к интенсивному лучу света. Это процесс усиления, связанный с усилением составной полупроводниковой среды. Подробнее об усилении позже, когда мы рассмотрим реализацию простого лазерного диода.

Структура лазерного диода

На рисунке ниже показана реализация простейшей формы лазерного диода, лазерного диода Фабри Перо. Лазерный диод разработан с учетом определенных требований, выходящих далеко за рамки требований, предъявляемых к светодиодам.

PIN-переход — Хотя первоначальные эксперименты с лазерными диодами проводились на PN-переходе, как описано в статье о светодиодах, современные лазерные диоды включают собственный составной полупроводниковый материал между материалами P-типа и N-типа. В отличие от материалов P-типа и N-типа, собственный материал не легирован, поэтому его показатель преломления отличается от показателя преломления других материалов. Электроны и дырки накачиваются в эту собственную область, которую мы теперь называем активной областью лазерного диода, чтобы рекомбинировать и излучать свет. Из-за разницы в показателе преломления между активной областью и материалами P-типа или N-типа активная область по существу действует как волновод, позволяя свету распространяться только вдоль активной области, перпендикулярно направлению тока.

Отражающие поверхности — Лазерный диод спроектирован таким образом, чтобы позволить некоторой части света выходить через один конец активной области, в то же время позволяя части света возвращаться обратно в активную область, чтобы увеличить интенсивность света или внести свой вклад в инверсия населенностей за счет возбуждения большего количества электронов. Для этого один конец области покрывается отражающим материалом, а другой — частично отражающим материалом покрытия.

Приведенная выше конструкция образует резонатор Фабри Перо, способный формировать стоячие волны света, захваченные внутри резонатора. Стоячая волна возникает в результате наложения двух волн одинаковой (или почти равной) амплитуды и фазы, распространяющихся в противоположных направлениях. Это следует из явления интерференции, когда две монохроматические волны, находящиеся в фазе, складываются, образуя более интенсивную волну. Если волны распространяются в одном направлении, они вызывают более интенсивную бегущую волну, а если они распространяются в противоположных направлениях, они приводят к возникновению колеблющейся волны, зафиксированной в пространстве, как показано на рисунке ниже. Стоячие волны должны иметь узлы на отражающих поверхностях полости.

Для возникновения стоячей волны (условие генерации) расстояние между отражающими поверхностями должно быть равно целому кратному половине длины волны света. Другими словами, L = qλ/2, где L — расстояние между поверхностями (или длина резонатора), q — целое число, а λ — длина волны. q — номер моды, и при q = 1 только половина волны образует стоячую волну, при q = 2 одна полная волна образует стоячую волну и так далее до q = n, где n может быть очень большим числом.

В идеальном резонаторе возможно бесконечное число таких мод. Спектр (интенсивность в зависимости от длины волны) резонатора Фабри Перо представляет собой большое количество пиков, ширина которых обратно пропорциональна отражательной способности поверхностей. То есть, чем выше коэффициент отражения, тем уже пики интенсивности.

Однако в лазере Фабри Перо количество разрешенных режимов или пиков интенсивности ограничено. Спектр выходного лазерного излучения представляет собой суперпозицию спектра среднего усиления и спектра резонатора Фабри Перо. Другими словами, длина волны для генерации должна удовлетворять условию резонатора Фабри Перо и находиться в пределах спектра среднего усиления. Спектр усиления зависит от используемого составного полупроводникового материала и может напоминать спектр светоизлучающего диода, рассмотренный в предыдущей статье. Дополнительным условием является то, что усиление должно быть больше, чем потери, испытываемые светом. Потери включают поглощение, рассеяние и потери на отражающих поверхностях. Эти потери приводят к значительно меньшей ширине лазерной линии (~ 1 нм) по сравнению со светодиодом (~ 50 нм).

Наложение спектров Фабри Перо и спектров усиливающих сред

Свойства лазерных диодов Фабри Перо

Как и все лазеры, диодный лазер Фабри Перо имеет ряд преимуществ перед светоизлучающими диодами в оптических сетях связи:

Лазерный свет почти монохроматичен – световые волны имеют почти одинаковую длину волны. Хотя существует распределение длин волн от лазера, узкая ширина линии означает, что диапазон длин волн очень мал.
Лазерный свет когерентный — волны находятся в фазе или разность фаз между ними постоянна во времени. Однако длина когерентности или расстояние, которое лазерный луч может пройти до того, как его когерентность ухудшится, в лазерах Фабри Перо короче, чем в лазерах с более узкой шириной линии. Длина когерентности обратно пропорциональна ширине лазерной линии.
Лазерный свет коллимирован – световые волны распространяются почти в одном направлении, благодаря чему расходимость их луча значительно лучше, чем у светодиодов. В результате свет лазера Fabry Perot гораздо легче сфокусировать на оптических волокнах с небольшой сердцевиной, таких как стандартные одномодовые волокна, чем свет светодиодов.
Лазерный свет имеет высокую яркость – мощность лазерного излучения сосредоточена на небольшой площади поверхности.
просты и недороги в производстве.

Недостатки лазерных диодов Фабри Перо

Ширина линии – по сравнению с другими высокоэффективными лазерными диодами ширина линии лазера Фабри Перо слишком широкая. Поэтому он чувствителен к хроматической дисперсии и другим дефектам оптоволокна.
Помехи в системах DWDM — если каналы с несколькими длинами волн передаются в системе с плотным разделением длин волн, некоторые моды лазера Фабри Перо могут мешать каналам системы DWDM
Надежда режима — восприимчива к режиму надежды. Лазер может переключаться с одной рабочей частоты (длины волны) на другую.

Несмотря на свои недостатки, лазеры Fabry Perot обычно используются в приложениях средней дальности, таких как сети доступа, включая оптоволокно до дома, и городские сети.

Прочие лазерные диоды для оптических сетей

Для создания сетей на большие расстояния требуются стабильные лазеры с очень узкой шириной линии. Лазеры с распределенной обратной связью и лазеры с внешним резонатором отвечают этим более строгим требованиям. Для приложений с более высокой скоростью передачи данных на короткие расстояния набирают популярность дешевые VCSELS со значительно лучшими характеристиками, чем у светодиодов.

Лазерные диоды с распределенной обратной связью. В лазере с распределенной обратной связью решетка включена в активную область Фабри Перо. Решетка предназначена для отражения только выбранной длины волны обратно в активную область, в то время как другие длины волн рассеиваются и поглощаются. Это приводит к подавлению всех побочных мод в пользу одной доминирующей длины волны. Типичная ширина линии лазера DFB составляет 1–10 МГц по сравнению с ~ 1 нм (15–20 ГГц) для лазера Фабри Перо.

Лазер с внешним резонатором (ECL) – в лазере с внешним резонатором отражатель включен вне усиливающей среды или активной области. Это приводит к удлинению резонатора лазера, который может поддерживать только одну моду и подавлять остальные. Более того, регулируя свойства рефлектора, ЭХЛ можно использовать как перестраиваемый лазер.

Лазеры с поверхностным излучением с вертикальным резонатором (VCSEL) – В отличие от лазерных диодов с торцевым излучением, которые обсуждались до сих пор, VCSEL излучает свет вдоль направления тока смещения. Хотя их ширина линии намного шире, чем у лазеров, обсуждавшихся до сих пор, VCSEL просты и недороги в изготовлении. Их производительность намного выше, чем у светодиодов, и они заменяют светодиоды в приложениях на короткие расстояния.

Резюме

Взаимодействие множества процессов, включая спонтанное излучение, вынужденное излучение, поглощение и интерференцию, в конечном итоге определяет мощность лазерного диода. Хотя их работа является продолжением работы светоизлучающих диодов, лазерные диоды обладают гораздо более высокими характеристиками и свойствами, которые делают возможным создание высокопроизводительных оптических сетей. Различные типы лазерных диодов используются в различных приложениях — от сетей малого радиуса действия до сетей сверхдальней связи.

Другие темы оптических сетей, такие как дисперсия, DWDM и свет, подробно рассматриваются на наших курсах обучения оптоволокну.

Jabulani Dhliwayo

Основатель и технический директор FiberGuide, преподаватель, ученый и инженер. Увлечен оптическими сетями и информационными и коммуникационными технологиями. Свяжитесь со мной на Linkedin — https://www. linkedin.com/in/jabulani-dhliwayo-1570b5b

Лазерные диоды — OdicForce

Анатомия лазерного диода

Структура лазерных диодов зависит от их типа и производителя, но очень распространенным форматом для лазеров мощностью до ~500 мВт является банка размером 5,6 мм. Для некоторых диодов большей мощности эта «банка» может быть «открытой». Банки с лазерными диодами меньшей мощности часто включают фотодиод, используемый для автоматического управления мощностью, которые обычно исключаются из лазерных диодов большей мощности.
На рисунке ниже показан типичный лазерный диод Sanyo.

Характеристики лазерных диодов

Производители указывают «абсолютные максимальные номинальные значения» для лазерных диодов, основанные на работе в производственной электронике, где требуется максимальный срок службы. Как правило, это будет более 4-6000 часов, и в проектах может быть допустимо превышение этих значений с уменьшенным ожидаемым сроком службы.

1. Номинальные значения абсолютной мощности

Мощность светового потока (Po)
Это максимально допустимая мощность при непрерывной работе. В характеристиках светового потока тока возбуждения, показанных на рисунке ниже, нет перегибов или изгибов при этой выходной мощности.
Для экспериментаторов, которые хотят получить максимальную мощность от диода, они часто хотят определить, где возникает первый «кинк», и управлять диодом чуть ниже этого уровня.

Обратное напряжение (VR)
Максимально допустимое напряжение при подаче на элемент обратного смещения. [Подключение источника питания к диоду ‘неправильным образом’, превышающее это значение, приведет к повреждению или разрушению диода.]

Рабочая температура окружающей среды (Topr)
Это максимальная температура окружающей среды, при которой элемент может работать.
Уровень определяется температурой корпуса элемента. Поскольку прямой ток лазера (см. ниже) увеличивается с температурой при заданном рабочем токе, выходной сигнал лазера будет меняться в зависимости от температуры.

2. Электрические и оптические характеристики

Пороговый ток (Ith)
Кривая P-IF отличает область A излучения светодиода от области генерации лазера B, уровень тока, который запускает генерацию лазера, является пороговым током.

Рабочий ток (Iop)
Это ток в прямом направлении, необходимый для создания номинальной световой мощности.

Номинальная оптическая выходная мощность (Po)
Это номинальная выходная мощность, указанная производителем при непрерывной работе в течение номинального срока службы лазера. Часто экспериментаторы добиваются, скажем, увеличения мощности на 50% при снижении срока службы на 50%, но, поскольку это все еще может быть 1000 часов, это может быть приемлемым для приложения, НО см. ниже, что произойдет, если вы переборщите!

COD (Catastrophic Optical Damage) Уровень
Если ток течет в прямом направлении, а выходная мощность продолжает расти после перегиба или другого отклонения, то лазер в конечном итоге достигает уровня разрушения граней (COD), когда кристалл на грани плавится из-за высокая оптическая плотность. Особое внимание следует уделить обращению с красными лазерами, так как они могут продолжать колебаться с малой мощностью от 2 до 3 мВт даже после разрушения фасетки.
Срок службы лазера значительно сокращается после повреждения элемента, поэтому
необходимо соблюдать особую осторожность, чтобы избежать не только превышения тока при регулировке выхода, но и скачков статического электричества.

3. Характеристики луча

Угол расходимости луча: Параллельно (Qh), Перпендикулярно (Qv)
Свет, излучаемый лазерным чипом, расходится, как показано на рисунке ниже. Когда распределение света измеряется в параллельном (ось X) и перпендикулярном (ось Y) направлениях по отношению к поверхности PN-перехода на лазерном чипе, (a) и (b) показаны на рисунке справа внизу. .

Категории
- Красные (635–660 нм) лазерные модули (точечный или круговой рисунок) (38)
- Зеленые (515 нм, 520 нм и 532 нм) лазерные модули (48)
- Сине-фиолетовые (405 нм Blu-ray) лазерные модули (20)
- Синие (450 нм и 488 нм) лазерные модули (10)
- Инфракрасный (ИК) 780нм, 808нм, 830нм и 980-нм лазерные модули (4)
- Линейные и перекрестные лазерные модули (74)
- Модули лазерного шоу (23)
- Трехлазерные модули RGB (белые) (4)
- Модули и детали для лазерной гравировки и резки (ЧПУ) (13)
- Кронштейны лазерных модулей, лазерные держатели и лазерные порталы (12)
- Блоки питания, аккумуляторные ящики, кабели и разъемы (41)
- Портативные лазеры для юстировки (линейные и крестообразные, с питанием от батареи) (6)
- Лазерные диоды: 405нм, 450нм, 520нм, 635нм, 650нм, 808нм, 830нм (36)
- Платы драйверов лазерных диодов (14)
- Корпуса лазерных диодов и корпуса модулей (19)
- Оптические компоненты: коллимационные линзы, линейные генераторы, фильтры и т.