Źródła światła umożliwiają konwersję sygnałów elektrycznych nasygnały optycznei stanowią podstawowe elementy nadajników optycznych i systemów komunikacji światłowodowej. Ich działanie wpływa bezpośrednio na wskaźniki wydajności i jakości światłowodowego systemu komunikacji. W tej sekcji przedstawiono głównie strukturę, zasadę działania i powiązane właściwości dwóch typów źródeł światła: diod laserowych (LD, znanych również jako lasery) i-diod elektroluminescencyjnych (LED), a także podano ich specyfikacje techniczne.
Kilka koncepcji fizycznych związanych z laserami
◆dioda elektroluminescencyjna-
Pojęcie fotonów
Kwantowa teoria światła Einsteina stwierdza, że światło składa się z fotonów posiadających energięhf, gdzie h=6.628 × 10⁻13J·s, znana jako stała Plancka, f to częstotliwość fali świetlnej. Fotony te nazywane są fotonami.
Kiedy światło oddziałuje z materią, energia fotonu jest pochłaniana lub emitowana w całości, co ustanawia teorię falowego-cząsteczkowego dualizmu światła.
Poziom energii atomowej
W kryształach półprzewodników orbity elektronów poza jądrami atomowymi nakładają się na siebie w różnym stopniu ze względu na wspólny ruch sąsiednich atomów. Jak pokazano na rysunku 3-1, poziomy energii w krysztale nie należą już do żadnego pojedynczego atomu; mogą poruszać się po większym obszarze, nawet po całym krysztale. Innymi słowy, pierwotne poziomy energii zostały przekształcone w pasma energii. Pasmo energii utworzone przez najbardziej zewnętrzne poziomy energii nazywane jest pasmem przewodnictwa, a wewnętrzne pasma energii nazywane są pasmem walencyjnym. W odstępach między nimi nie ma elektronów; przedział ten nazywany jest pasmem wzbronionym.
Rysunek 3-1 Poziomy energii w krysztale
Trzy tryby interakcji światła z materią
Oddziaływanie światła i materii można sprowadzić do oddziaływania światła i atomów, obejmującego trzy procesy fizyczne: absorpcję wymuszoną, emisję spontaniczną i emisję wymuszoną. Poziomy energii i przejścia elektronowe tych trzech trybów interakcji pokazano na rysunku 3-2.
Rysunek 3-2 Poziomy energii i przejścia elektronowe w trzech trybach interakcji światła z materią.
1) W normalnych warunkach elektrony znajdują się zwykle na niskim poziomie energii Ea. Pod wpływem padającego światła elektrony pochłaniają energię fotonu i przechodzą na wysoki poziom energii E2, generując fotoprąd. To przejście nazywa się absorpcją stymulowaną. Taka jest zasada działania fotodetektora.
2) Elektrony na wysokim poziomie energii E2są niestabilne. Nawet bez siły zewnętrznej spontanicznie przejdą na niski poziom energii Ea, łączą się z dziurami i uwalniają energię przekształconą w fotony, które są wypromieniowywane na zewnątrz. To przejście nazywa się emisją spontaniczną. Taka jest zasada działania-diody elektroluminescencyjnej (LED). Spontanicznie emitowane światło jest światłem niespójnym.
3) Gdy elektron na wysokim poziomie energii Eajest wzbudzany przez zewnętrzny foton o energii hf, jest zmuszony przejść do niskiego poziomu energii Ea, łączą się z dziurami i jednocześnie uwalniają foton o tej samej częstotliwości, fazie i kierunku co światło wzbudzające (tzw. foton identyczny).
Ponieważ proces ten zachodzi pod wpływem wzbudzenia fotonu zewnętrznego, przejście to nazywa się emisją wymuszoną. Taka jest zasada działania lasera. Stymulowane światło emisji jest światłem spójnym.
Inwersja populacji i wzmocnienie światła
Stymulowana emisja jest kluczem do generacji lasera. Niech gęstość cząstek na niższym poziomie energii będzie wynosić N, a gęstość cząstek na wyższym poziomie energii będzie wynosić N². W normalnych warunkach N > N², co oznacza, że wymuszona absorpcja zawsze przewyższa wymuszoną emisję; oznacza to, że w równowadze termicznej materia nie może wzmacniać światła.
Aby materia wzmocniła światło, wymuszona emisja musi przewyższać wymuszoną absorpcję, nawet jeśli N² > N (liczba elektronów na wyższych poziomach energii jest większa niż liczba na niższych poziomach energii). Ten nieprawidłowy rozkład liczby cząstek nazywany jest inwersją populacji.
Inwersja obsadzeń jest podstawowym warunkiem, aby substancja wytwarzała wzmocnienie światła i emitowała światło.
Półprzewodniki z pasmem wzbronionym bezpośrednim i pośrednim
W wymuszonej emisji światła należy zachować energię i pęd. Kształt pasma wzbronionego jest powiązany z pędem; w oparciu o kształt pasma wzbronionego półprzewodniki można podzielić na bezpośrednie i pośrednie pasmo wzbronione, jak pokazano na rysunku 3-3. W półprzewodnikach z pasmem wzbronionym minimalny poziom energii pasma przewodnictwa i maksymalny poziom energii pasma walencyjnego mają ten sam pęd, a elektrony przechodzą pionowo, co skutkuje wysoką skutecznością świetlną, jak pokazano na rysunku 3-3a. W półprzewodnikach z pośrednią przerwą wzbronioną inne cząstki muszą uczestniczyć, aby zachować zasadę zachowania pędu przy przejściach elektronów, jak pokazano na rysunku 3-3b. Do wytwarzania urządzeń emitujących światło można używać wyłącznie materiałów półprzewodnikowych z bezpośrednią przerwą wzbronioną; materiały te obejmują GaAs, AlGaAs, InP i InGaAsP.
Rysunek 3-3 Półprzewodniki z pasmem wzbronionym bezpośrednim i pośrednim
Zasada lasera
Laser półprzewodnikowy to laser wykorzystujący materiały półprzewodnikowe jako ośrodek aktywny; nazywany jest także samo-laserem półprzewodnikowym.
Aby laser mógł emitować światło laserowe, muszą zostać spełnione trzy warunki: musi istnieć substancja robocza (zwana także substancją aktywującą) zdolna do wytwarzania światła laserowego; musi istnieć źródło wzbudzenia (zwane także źródłem pompy) zdolne do wprowadzenia substancji roboczej w stan inwersji obsadzeń; musi także istnieć rezonator optyczny zdolny do dokonywania wyboru częstotliwości i sprzężenia zwrotnego.
(1) Substancją roboczą zdolną do wytwarzania światła laserowego jest substancja, która może osiągnąć rozkład inwersji obsadzeń. Aktywowana substancja robocza nazywana jest substancją aktywującą lub substancją wzmacniającą i jest warunkiem niezbędnym do wygenerowania lasera.
(2) Źródłem pompy jest zewnętrzne źródło wzbudzenia, które powoduje, że substancja robocza osiąga rozkład inwersji obsadzeń. Pod działaniem źródła pompy Ni> Ni, co powoduje, że wymuszona emisja jest większa niż wymuszona absorpcja, wzmacniając w ten sposób światło.
(3) Rezonator optyczny: Substancja aktywująca może jedynie wzmacniać światło. Tylko poprzez umieszczenie substancji aktywującej w rezonatorze optycznym w celu zapewnienia niezbędnego sprzężenia zwrotnego oraz wybrania częstotliwości i kierunku światła można uzyskać ciągłe wzmocnienie światła i wyjście oscylacji lasera. Substancja aktywująca i rezonator optyczny są warunkami niezbędnymi do wygenerowania oscylacji lasera.
1) Budowa optycznej wnęki rezonansowej. Strukturę optycznej wnęki rezonansowej pokazano na rysunku 3-4. Umieszczając dwa równoległe zwierciadła, M1 i M2, o współczynnikach odbicia odpowiednio r1 i r2, w odpowiednich pozycjach na obu końcach materiału aktywującego, powstaje najprostsza optyczna wnęka rezonansowa, zwana także wnęką Fabry'ego-Perota lub wnęką FP.
Jeśli zwierciadła są zwierciadłami płaskimi, nazywa się to wnęką płaską; jeśli zwierciadła są zwierciadłami sferycznymi, nazywa się to wnęką kulistą. Z dwóch luster jedno musi być w stanie całkowicie odbijać światło, a drugie musi być w stanie odbijać częściowo.
Rysunek 3-4 Struktura optycznej wnęki rezonansowej
2) Proces oscylacji generacji lasera we wnęce rezonansowej. Schemat ideowy lasera pokazano na rysunku 3-5. Kiedy czynnik roboczy osiąga inwersję obsadzeń pod działaniem źródła pompy, powstaje emisja spontaniczna. Jeżeli kierunek emisji spontanicznej nie jest równoległy do osi optycznej wnęki rezonansowej, jest ona odbijana od wnęki rezonansowej. Może istnieć i kontynuować tylko emisja spontaniczna równoległa do osi wnęki rezonansowej. Kiedy napotyka cząstkę o wyższym poziomie energii, indukuje przejście wymuszone, emitując identyczny foton przy przejściu z wyższego poziomu energii na niższy poziom energii - jest to emisja wymuszona. Kiedy światło emisji wymuszonej odbija się raz w przód i w tył w obrębie wnęki rezonansowej, a zmiana fazy jest dokładnie całkowitą wielokrotnością 2π, kilka świateł emisji wymuszonej rozchodzących się w tym samym kierunku wzmacnia się nawzajem, wytwarzając rezonans. Po osiągnięciu określonego natężenia jest ona transmitowana przez zwierciadło częściowe M2, tworząc prostą wiązkę lasera. Po osiągnięciu równowagi energia wzmacniana przez wymuszone światło emisji podczas każdej podróży w obie strony we wnęce rezonansowej dokładnie znosi zużytą energię, w którym to momencie laser utrzymuje stabilną moc wyjściową.
Rysunek 3-5 Schemat ideowy lasera
3) Stan rezonansowy i częstotliwość rezonansowa optycznej wnęki rezonansowej. Niech długość wnęki rezonansowej będzie wynosić L, wówczas warunek rezonansowy wnęki rezonansowej będzie wynosił:
We wzorze c jest prędkością światła w próżni; λ jest długością fali lasera; n jest współczynnikiem załamania światła materiału aktywującego; L jest długością wnęki optycznej wnęki rezonansowej; i jest numerem trybu podłużnego,=1, 2, 3.
Wnęka rezonansowa zapewnia dodatnie sprzężenie zwrotne tylko w odniesieniu do długości fali zgodnej z równaniem spełniającym falę świetlną (3-1) lub częstotliwości zgodnej z równaniem spełniającym falę świetlną (3-2), powodując wzajemne wzmocnienie się wewnątrz wnęki i rezonowanie, tworząc światło laserowe.
Ponieważ światło emisji wymuszonej tworzy fale stojące jedynie wzdłuż osi wnęki (kierunek podłużny), nazywane są one modami podłużnymi (różne mody odpowiadają różnym rozkładom pola).
4) Warunek progowy oscylacji. Minimalna granica wzmocnienia, przy której laser może wytwarzać oscylacje lasera, nazywana jest stanem progowym lasera (wnęka F-P wykazuje straty, a odbicie i załamanie światła od zwierciadeł również w sposób ciągły pochłaniają fotony). Jeśli Gu reprezentuje próg współczynnika wzmocnienia, wówczas warunek progowy oscylacji jest następujący:
We wzorze jest współczynnik strat materiału aktywnego w optycznej wnęce rezonansowej; L jest długością wnęki optycznej wnęki rezonansowej; oraz i są współczynnikami odbicia dwóch zwierciadeł optycznej wnęki rezonansowej.
