přeskočit na hlavní obsah

Laserové diody – Část 4. Aplikace LD

/up/images/featured/images/aqgfag.jpg

V předešlých částech byli čtenáři seznámeni s principem, na němž laserové diody fungují, s nejdůležitějšími parametry popisujícími jejich vlastnosti a také se základními typy konstrukcí a s druhy laserových čipů. Tato část bude věnována jednotlivým aplikacím laserů a laserových diod, podrobně budou rozebrány některé aplikace, jako je laserová tiskárna, optická mechanika či komunikační modul BIDI.

Obr. 1. Složení laserového ukazovátka

4.1 Přehled použití laseru

Laser se uplatňuje ve většině oblastí lidské činnosti. Ne každý laser je ovšem vhodný pro každý účel. Ve velké šíři je používán především pro své jedinečné vlastnosti: energii a výkon nesené v úzkém vyzařovaném svazku, monochromatičnost, koherenci a kolimovanost, tj. vlastnosti, které oproti jiným zdrojům světla umožňují lepší přesnost zásahu a větší účinek, daný značným výkonem laserového záření. Většina laserů, se kterými se lze běžně setkat, jsou lasery malého výkonu pracující kontinuálně (spojitě, nepřetržitě). Od běžných laserových ukazovátek (obr. 1), přes laserové tiskárny, kopírky, optické mechaniky, zabezpečovací zařízení po laserové efekty známém z popových či rockových koncertů. Při přenosu informací se rovněž používají lasery pracující v kontinuálním režimu.

Obr. 2. Komponenty pro optické sítě

První použití našly lasery v medicíně při operaci oční sítnice (oftalmologie) a v kožním lékařství (odstraňování pigmentových skvrn). Dále se díky možnosti koncentrace energie optického záření na malé ploše a z toho plynoucího řezání a odpařování tkání vyvinula laserová chirurgie.

V průmyslu se laser používá při svařování, řezání, vrtání, a to především díky možnosti opracovat materiál bez mechanického kontaktu s výrobkem. Určující charakteristikou je výkon laseru, proto se v tomto případě uplatňují impulsní lasery. Obecně lze říci, že výkon laseru také závisí na délce laserového pulsu, tzn. čím bude puls kratší, tím větší bude jeho výkon. Zkracování délky pulsu vedlo k délce až několika nanosekund; tím bylo dosaženo výkonu srovnatelného s výkonem malé elektrárny. Velmi vhodné jsou lasery také při měření délky, kvality povrchu (např. při výrobě objektivů či čelní plochy konektorů optických vláken) nebo při měření prašnosti ovzduší (tzv. LIDAR).

Obr. 3. Principiální schéma laserové tiskárny

Zajímavé je také použijí laserů v mikroelektronice. Zde se vyvinuly nové technologie, jako je např. laserové dolaďování (výroba rezistorů a kondenzátorů), laserové rýhování či laserové doplňovaní příměsí do substrátu. Díky laserovému záření bylo možné zhotovit také první hologramy. Laser si velmi rychle našel cestu i ve vojenství (navádění střel) či při špionážní činnosti (laserový mikrofon).

4.2 Aplikace laserových diod

Nyní se podívejme na skupinu laserů, jež je reprezentována laserovými diodami (LD). Dominantní aplikací laserových diod jsou optické komunikace. Zde je laserová dioda využívána k převodu signálu nesoucího informaci z „elektrické“ formy do „optické“, tedy funguje jako elektrooptický převodník (fotonický měnič). Dnešní rychlé velkokapacitní optické sítě by v podstatě bez těchto součástek vůbec nemohly existovat. Nejširší použití LD nacházejí v oblasti tzv. komunikačních oken optických vláken, která představují vlnové délky 850, 1 310 a 1 550 nm. Zde mají standardní optická vlákna velmi malý útlum (jednotky dB/km). Požadavky na velkou rychlost a šířku pásma optických sítí (dnešní rozvoj aplikací rychlosti 10 a 40 Mb/s) našly odezvu především u typů laserových diod DFB (distributed feedback – rozložená zpětná vazba), které se vyznačují velmi úzkou spektrální charakteristikou a umožňují vysoké modulační frekvence.

Obr. 4. Principiální schéma optické mechaniky

Přehled komponent pro optické sítě využívající laserové diody je na obr. 2. Principem uvedených komponent je napojení LD na optické vlákno, buď přímo spojení přes kroužek a přírubu optického vlákna (pigtail), nebo přes zásuvku (receptacle) pro konektor optického vlákna. Na obrázku jsou taktéž moduly BIDI, v nichž je integrován i přijímací detektor; ty umožňují obousměrný přenos informace (viz kap. 4.3).

Laserové diody se ve velké šíři uplatňují ve výpočetní technice. Patří sem např. laserová tiskárna, která využívá laserové záření k vytvoření obrazce, jenž má být tištěn, resp. přenášen z rotujícího válce na papír. Principem je přivedení zakódovaných informací na modulátor optického záření, který v souladu s kódováním přerušuje dráhu laserového svazku dopadajícího na odraznou plošku rozmítacího kotouče (obr. 3), jenž rozmítá svazek po celé délce válce. Válec je pokryt vrstvou fotoelektricky citlivého materiálu, který má tu vlastnost, že po dopadu laserového záření se v ozářeném bodě zmenší elektrický odpor materiálu až o několik řádů. Následkem toho je vytvořen obrazec podle kódování. Na takto vytvořenou předlohu je na válci nanášeno tónovací médium. Obrazec z válce je pak přenášen na papír. Výhodou tohoto typu tiskárny je kvalitní záznam při vysokém rozlišení a velkých rychlostech tisku (desítky stran formátu A4 za minutu).

Obr. 5. Struktura CD-ROM

K výpočetní technice bezesporu patří optické mechaniky, které jsou určeny pro čtení či zápis na CD-ROM či DVD. Mechanika pracuje tak, že přes polopropustné zrcadlo zaměřuje laserový paprsek na povrch disku, který tvoří pole a malé prohlubně (pity). Pole laserový paprsek odrážejí zpět, pity jej rozptylují. Zrcadlo přesměruje vracející se paprsek na fotodiodu, ze které je dále dvoustavový signál zpracováván (obr. 4). Disk je technologicky vytvořen z průhledné polykarbonátové vrstvy, na kterou výrobce nanáší šablonu s poli a pity (zapisovací mechaniky pity vytvářejí laserovým svazkem). Základní vrstva je překryta odrazivou fólií z hliníku, na který je nanesen ochranný lak. Disk se čte zdola přes polykarbonátovou podložku, struktura disku je na obr. 5. Rozměry pitu jsou úzce spojeny s vlnovou délkou laserového svazku. Mechaniky pro CD-ROM využívají laserové diody pracující na vlnové délce v rozmezí 780 až 790 nm (neviditelné infračervené záření); tomu odpovídá délka pitu 0,8 cm. Standardní kapacity zaznamenané na CD-ROM dosahují asi 700 MB. Pro zvýšení hustoty záznamu bylo nutné pro mechaniky DVD zvýšit rozlišovací schopnost čtecího zařízení. To znamenalo zmenšit vlnovou délku na 650 nm, což odpovídá červené barvě viditelného světla. Tím bylo dosaženo zmenšení délky pitu na polovinu, tedy na 0,4 DVD tímto dosáhla 4,7 GB, v případě dvouvrstvých je to dvojnásobek.

Obr. 6. Porovnání tzv. pitu CD-ROM, DVD a Blu-Ray

Vývoj v oblasti optických mechanik dále pokračuje. Objevily se již nové systémy s označením Blu-Ray a HD-DVD, využívající laserové diody na vlnové délce 405 nm, která odpovídá modrofialové barvě světla. Délka pitu se zmenšila na 0,15 µm, porovnání velikosti pitu je na obr. 6. Při zachování vnějších rozměrů médií, jež jsou shodné s CD-ROM či DVD, je dosaženo kapacity okolo 50 GB. Tyto hodnoty již plně vyhovují např. záznamům HDTV (High Definition TeleVision) či HD WMV9 (High Definition Windows Media Video9). Jejich rozlišení bude až 1 920 × 1 080 při 60 snímcích za sekundu. Tok dat bude dosti velký, co se týče optických mechanik – bude se pohybovat v řádu desítek megabitů za sekundu (až 40 až 54 Mb/s). Pro srovnání, standardní MPEG-2 (videozáznam na DVD) používá datové přenosy okolo 10 Mb/s a rozlišení 720 × 576. Významný pokrok nastal také v oblasti holografického záznamu. Zde již byly vyvinuty první holografické optické mechaniky. Kapacity v tomto případě dosahují až oblasti jednotek terabajtů (více než 1 000 GB) a rychlosti až 1 Gb/s.

Obr. 7. Schéma modulu Bidi

4.3 Modul Bidi

Optické sítě v současné době již neodmyslitelně patří ke komunikacím a přenosům dat. Jednou z oblastí jsou dnes hojně zmiňované pasivní optické sítě (PON), kde své uplatnění našly komunikační moduly BiDi. Toto zařízení v sobě integruje vysílač – laserovou diodu, přijímač – detekční diodu PIN a optické vlákno, které jsou najustovány na domek obsahující kulovou čočku a dělicí filtr. Čočka je určena k navázání svazku laserové diody do vlákna a také z vlákna na detektor. Dělicí filtr slouží k odrazu přijímaného signálu pro detektor (obr. 7). Modul je tedy schopen komunikace jako přijímač i vysílač po jednom optickém vlákně.

Obr. 8. Převodník Bidi

Používají se nejrůznější kombinace vlnových délek pro přijímací a vysílací část. Základní kombinace využívá 1 310 nm pro laserovou diodu a 1 550 nm pro přijímací diodu. To s sebou nese optimalizace dělicího filtru v domku a tlumicího filtru na přijímací diodě, jež zabraňuje možným přeslechům mezi oběma součástkami. Druhou variantou je obrácené rozložení vlnových délek, tedy laserová dioda na 1 550 nm a detektor pro 1 310 nm. Typické hodnoty výkonů navázaných do optického vlákna jsou v oblasti 300 ž jednotek miliwattů, Etaf (slope efficiency) se pohybuje v rozmezí 30 až150 mW/A. Responzivita (citlivost) detektorů je přibližně 0,7 až 0,9 A/W, přeslech mezi přijímačem a vysílačem je menší než –45 dB. Jsou používány laserové diody typů Fabry-Perot a DFB. Typické přenosové rychlosti jsou 155, 622 Mb/s a 1,25 a 2,5 Gb/s. Zvláštní případ nastává, když modul Bidi pracuje pouze s vlnovou délkou 1 310 nm, tzn. přijímá a vysílá ve stejném komunikačním pásmu 1 310 nm. Dělicí filtr nese označení 3dB, znamenající, že je vyroben tak, aby na vlnové délce 1 310 nm 50 % signálu odrazil a 50 % propustil. Přeslech je v tomto případě větší a dosahuje hranice –25 dB.

Moduly Bidi se dále osazují další elektronikou zpracovávající již elektrický signál. Zařízení jsou označována jako převodník Bidi (obr. 8) a nacházejí uplatnění v přístupových sítích, jako jsou již zmíněné PON, dále P2P (point to point) pro systémy FTTx (vlákno např. do kanceláře, domu apod.) či jako konvertory pro FITL (fiber in the loop). Zajišťují obousměrnou komunikaci po jednom optickém vlákně mezi servery, routery, přepínači či multiplexory.

Závěr seriálu

Tímto jsme se doslali na závěr seriálu o laserových diodách, který měl komplexně představit tyto moderní a hojně využívané optoelektronické součástky široké veřejnosti.

Mgr. Michal Lukáš, Infineon Technologies Trutnov

Literatura:
[1] MIŠEK, J.: Polovodičové zdroje optického záření. Praha, 1988.
[2] SALEH, B. – TEICH, M.: Základy fotoniky 1–4. Matfyzpress, Praha, 1994.
[3] STRUMBAN, E. J.: Lasery a optoelektronika. Praha, 1989.
[4] MAŤÁTKO, J.: Elektronika – lasery: kvantové generátory světla. Idea servis, Praha, 1998.
[5] HÁBOVČÍK, P.: Lasery a fotodetektory. Vysokošk. učeb. pre elektrotechn. fak. vys. škol. Bratislava, 1990.
[6] KAPON, E.: Semiconductor lasers I–II. Academic Press, San Diego, USA, 1999. 

převzato z časopisu Světlo

Líbil se vám článek?

ano: 294     ne: 301

Doporuč


 

Poslat známému


logo © 2007 4-INDUSTRY, s.r.o. Všechna práva vyhrazena. Ochrana údajů –  Podmínky při poskytování služeb