Часть 2 Приборы и применения фотоники : светодиоды и лазеры

связи с низкой световой эффективностью боковой системы подсветки, она обычно

использовалась в случаях, когда толщина светотехнического устройства была гораздо более важна, чем его яркость. Система подсветки прямого типа, напротив, имеет более высокую световую эффективность и позволяет контролировать освещенность отдельных частей подсвечиваемой области. Прогресс в современных технологиях изготовления оптических элементов, и, как следствие, возможность миниатюризации вторичной оптики уже давно позволяют использовать системы подсветки прямого типа даже в случаях, когда толщина светотехнического устройства играет критическую роль.

Расчет вторичной оптики светодиодов для прямых систем подсветки является одной из наиболее сложных задач, возникающих в светотехнике. Это связано с большим количеством требований, одновременно предъявляемым к таким оптическим элементам:
обеспечение высокой световой эффективности;
минимальное расстояние от светодиода до освещаемой
области при максимальном угловом размере области;
высокая равномерность формируемого распределения
освещенности.

Преимущества светодиодов перед КЛЛ:
Улучшенная контрастность;
Улучшенная цветопередача;
Пониженное энергопотребление (до 40% экономии);
Чрезвычайно малая толщина;
Долгий срок службы;
Меньшее выделение тепла;
Более высокая надежность.

Подсветка

for 6 percent of total AMOLED panel shipments (825 million),

or 11 percent of total AMOLED panel shipments (476 million) by 2025.
Драйв: насыщение рынка «обычных» смартфонов и поиск новых решений для развития рынка.

Overview of Flexible Display Technology
Flexible displays offer many advantages over conventional display technology including: ultra-thin, light weight, bendable, portable, shatter-proof, unbreakable and low energy. Royole's flexible displays will profoundly affect next generation electronics, by enabling brand new form factors and applications.

задние фонари
в) индикаторы, шкалы, приборы
г) декоративная подсветка
2) светофоры

и маршрутные указатели
3) системы освещения автомобильных дорог

Транспорт: автомобили

Li-Fi?
Выбор типа источника для ВОЛС определяется требуемой скоростью и совместимостью

с используемым типом волокна. В настоящее время скорости передачи менее 1 Гб/с считаются слишком низкими, и светодиоды активно вытесняются лазерами типа VCSEL, стоимость которых не многим выше, а дисперсия в волокне гораздо меньше благодаря узкой спектральной линии.

межгородские (зоновые)
(50-100 км, до 300 км)
Магистральные (свыше 300 км)
Светодиоды применяют

в коротких ВОЛС с невысокими скоростями передачи информации: это повышает надежность и долговечность передающего модуля, снижает его стоимость, резко упрощает структурную схему. В этом случае термоэлектрические охладители не нужны, можно также исключить цепь фоточувствительной обратной связи.

По диапазонам:

полистирен с показателем преломления n в 1.49 и 1.59 соответственно.
Оболочка

делается из силиконовых эластомеров (n~1.46).
Большая числовая апертура (0.48 и 0.63 vs. 0.2-1 для GOF).
Высокая гибкость и малая стоимость (но низкая устойчивость к температурам, 70 0C vs. 500 0C для GOF).
Волокно со ступенчатым ПП имеет диаметр 1 мм.
Потери около 1 dB/m @ 650 nm (vs 0.1 dB/km для GOF @ 1.3 μm).
Полоса пропускания ~5 MHz-km @ 650 nm.
Длины волн 400-700 nm (vs. 200-2000 для GOF).

POF называют «потребительским» волокном благодаря дешевизне систем и их компонентов и простоте монтажа. Из-за сильного ослабления сигнала и больших искажений их используют для низкоскоростных короткодействующих (до 100 метров) приложений – цифровые бытовые устройства, домашние сети, промышленные сети и автомобильные сети. Для более высокоскоростных приложений, таких, как передача данных внутри дата-центров и внутри зданий, используются перфлуорированные полимерные волокна.

ПК с периферией
Передача видео
Роботы
Домашние бытовые устройства
Медицинские приборы и системы
Автомобильная электроника
Аудиосистемы
Электронные

игры
Электромобили
Защищенные каналы передачи данных
Внутрисистемная передача данных: от платы к плате, от стойки к стойке

основных цветов, каждое из которых модулируется со своей собственной частотой.

Значительное послесвечение люминофора в люминофорных светодиодах ограничивает скорость передачи данных с их помощью мегагерцовым диапазоном. Технология имеет общий термин VLC (англ. visible light communication, что дословно означает «связь посредством видимого света»), используется стандарт IEEE 802.15.7, обеспечивающий достаточную скорость для передачи аудио, видео и других мультимедиа данных. Скорость может быть снижена из-за помех от окружающего освещения.

Стандарт определил три физических уровня скорости:
PHY I был создан для наружного применения и работает с 11,67 кбит/с до 267,6 Кбит/с,
PHY II позволяет достичь скорости передачи данных от 1,25 Мбит/с до 96 Мбит/с,
PHY III скорость от 12 Мбит/с до 96 Мбит/с.

Данные скорости были актуальны до августа 2013 года, по состоянию на август технологией была достигнута скорость 1,6 Гбит/с, в ноябре 2013 г. – 10,5 Гбит/с (3,5 Гбит/с для каждого цвета). В 2015 г. был установлен некий рекорд скорости в лабораторных условиях 224 Гбит/с. В реальных приложениях скорость сохраняется на уровне 10 Гбит/с.

Технология Li-Fi

с использованием амплитудной модуляции. Сигнал принимается фотодиодом с использованием технологии

прямого детектирования. Технология VLC разрабатывалась как способ передачи «point-to-point», - фактически, как замена кабелю связи. Стандартизация VLC привела к разработке стандарта IEEE 802.15.7. Li-Fi, в отличие от VLC, является беспроводной сетевой технологией, то есть может обеспечить двунаправленную связь для нескольких пользователей. Также технология Li-Fi обеспечивает связь через несколько точек доступа, что позволяет формировать «аттоячейки» с плавным переходом от одной к другой. Это означает, что Li-Fi обеспечивает полную мобильность пользователя и может формировать новый уровень сети внутри уже действующих.

или подсветки (за исключением микросветодиодов) и их дизайн нацелен на

достижение максимальной эффективности и мощности при низкой себестоимости, а не частоты модуляции, требуемой для VLC. Сторона типичного чипа – несколько сот мкм. Это позволяет успешнее бороться с droop-эффектом и отводить тепло. Однако и для таких светодиодов возможно получить частоту модуляции на уровне 20 МГц.

интенсивности излучения УФ-А и УФ-B и общее количество УФ лучей,

достигающих поверхности Земли, зависит от:
концентрации атмосферного озона над земной поверхностью
высоты Солнца над горизонтом
высоты над уровнем моря
состояния атмосферы
степени отражения УФ-лучей от поверхности (воды, почвы)

Ультрафиолетовое излучение и источники света

Традиционные Уф лампы: (а) ртутная, (б) ксеноновая, (в) дейтериевая.

Искусственные источники УФ излучения

Давление в ртутной лампе

Стандартное силикатное стекло блокирует 90% излучения с длиной волны короче 300 нм

через 10–15 минут после включения. Изменение напряжения питающей сети в

большую или меньшую сторону вызывает соответствующее изменение светового потока. Отклонение питающего напряжения на 10 — 15 % допустимо и сопровождается изменением светового потока лампы на 25 — 30 %. При уменьшении напряжения питания менее 80 % номинального, лампа может не зажечься, а горящая — погаснуть. При горении лампа сильно нагревается, что требует использования термостойких проводов, предъявляет серьёзные требования к качеству контактов патронов. Поскольку давление в горелке горячей лампы существенно возрастает, увеличивается и напряжение её пробоя. Величина напряжения питающей сети оказывается недостаточной для зажигания горячей лампы и поэтому перед повторным зажиганием лампа должна остыть. Этот эффект является существенным недостатком дуговых ртутных ламп высокого давления, поскольку даже очень краткий перебой питания их гасит, а для повторного зажигания требуется длительная пауза на остывание. Кроме того, эффективность самих ламп зависит от температуры окружающей среды и может падать на 10% при изменении температуры на 25 0С.

«Excited dimer".
«Искусственно» созданная пара атомов газа, один из которых находится

в возбуждённом состоянии. Такое состояние имеет малое время жизни, и пара быстро распадается с излучением УФ. Полуширина линии излучения очень узкая, до 10 нм.
Существуют эксимерные лампы с длинами волны излучения от 120 до 380 нм. Это практически монохроматическое излучение.
Разряд вызывается электрическим полем радиочастоты (<1 МГц).

промышленности с 1960-х годов, основные области применения: автомобилестроение, электроника, печать.

Рынок этих приложений растёт на 10% в год, вытесняя обычную тепловую сушку благодаря более высокой производительности, улучшению качества нанесения покрытий и более безопасной и экологичной технологии производства.

светодиодных устройств УФ печати:
Больший ресурс источников света. Если срок службы

обычных УФ ламп, используемых в широкоформатных УФ принтерах, оценивается в диапазоне от 800 до 1000 часов, ультрафиолетовые светодиоды способны эффективно проработать от 4000 до 10 000 часов.
Отсутствие в спектре света, генерируемого УФ светодиодами, инфракрасных лучей, что делает возможным печать на материалах, чувствительных к нагреву, а также на носителях, создававших проблемы при попытках напечатывания с помощью традиционных УФ принтеров на ртутных лампах.
Повышение производительности печатного цеха в целом. Это объясняется тем, что перед запуском принтера в работу система отверждения чернил в традиционных УФ принтерах требует времени на разогрев до 40 минут. В случае, если система фиксации краски построена на основе светодиодов, необходимости в разогреве источников света нет: принтер можно запускать в работу сразу же по мере необходимости.
Более высокая энергоэффективность ультрафиолетовых светодиодов по сравнению с ртутными УФ лампами.
Надежность светодиодных УФ ламп (их невозможно разбить, в отличие от колб ртутных ламп) и повышенная безопасность при эксплуатации (при работе они не выделяют озона в атмосферу).

TiO2, что приводит к чистке и дезинфекции. Данный механизм активно

используется в системах кондиционирования воздуха и для очистки воды в первую очередь в больницах и непроизводственных объектах, а также в растениеводстве. Наиболее активно такие системы производятся в Японии, и основная часть систем фотокаталитической очистки пока оснащена традиционными УФ лампами.

deep UV light-emitting diode technology», Semiconductor Science and Technology, 26

014036

тела, нагретые до определенной температуры, излучают энергию в ИК области

спектра. При этом излучаемые длины волн зависят от температуры тела: чем выше температура, тем короче длина волны и больше энергия. Спектр излучения абсолютно чёрного тела при температурах до пятисот градусов лежит в ИК диапазоне. При дальнейшем нагревании тела оно начинает излучать энергию в видимой области спектра и можно увидеть сначала темно-красное, а затем яркое белое свечение.

в 1955 году Р. Браунштейном из компании RCA (США). Он

исследовал ИК излучение диодной полупроводниковой структуры на основе GaSb, GaAs, InP и сплава SiGe при прохождении электрического тока. В 1961 году Р. Бард и Г. Питман из компании Texas Instruments получили патент на ИК полупроводниковый светодиод на базе арсенида галлия. В 1976 году Т. Пирселл, исследуя новые полупроводниковые материалы, получил первый сверхъяркий ИК светодиод для оптоволоконных линий связи.

следующим параметрам:
компактность (размер чипа 0.3х0.3 мм);
низкое энергопотребление (в импульсном режиме

порядка 1 мВт);
высокое быстродействие (десятки наносекунд);
большой срок службы (80 000-100 000 часов);
возможность создания миниатюрных многоэлементных линеек и матриц.

Инфракрасные светодиоды
Средний ИК-диапазон