Lyskilder muliggjør konvertering fra elektriske signaler tiloptiske signalerog er kjernekomponenter i optiske sendere og fiberoptiske kommunikasjonssystemer. Ytelsen deres påvirker direkte ytelses- og kvalitetsindikatorene til det fiberoptiske kommunikasjonssystemet. Denne delen introduserer hovedsakelig strukturen, arbeidsprinsippet og relaterte egenskaper til to typer lyskilder: laserdioder (LD-er, også kjent som lasere) og lys{2}}emitterende dioder (LED), og gir deres tekniske spesifikasjoner.
Flere fysiske konsepter knyttet til lasere
Konseptet med fotoner
Einsteins kvanteteori om lys sier at lys er sammensatt av fotoner med energihf, hvor h=6.628 × 10⁻13J·s, kjent som Plancks konstant, og f er frekvensen til lysbølgen. Disse fotonene kalles fotoner.
Når lys interagerer med materie, absorberes eller sendes fotonets energi som en helhet, og etablerer bølgepartikkeldualitetsteorien for lys.
Atomenerginivå
I halvlederkrystaller overlapper banene til elektroner utenfor atomkjernene i ulik grad på grunn av den delte bevegelsen til tilstøtende atomer. Som vist i figur 3-1, tilhører energinivåene i krystallen ikke lenger noe enkelt atom; de kan bevege seg over et større område, selv gjennom hele krystallen. Med andre ord har de opprinnelige energinivåene blitt transformert til energibånd. Energibåndet som dannes av de ytterste energinivåene kalles ledningsbåndet, og de indre energibåndene kalles valensbåndet. Ingen elektroner eksisterer i intervallene mellom dem; dette intervallet kalles båndgapet.
Figur 3-1 Energinivåer i en krystall
Tre måter for samhandling mellom lys og materie
Samspillet mellom lys og materie kan reduseres til samspillet mellom lys og atomer, inkludert tre fysiske prosesser: stimulert absorpsjon, spontan emisjon og stimulert emisjon. Energinivåene og elektroniske overgangene til disse tre interaksjonsmodusene er vist i figur 3-2.
Figur 3-2 Energinivåer og elektroniske overganger i tre moduser for samspill mellom lys og materie.
1) Under normale forhold er elektroner vanligvis i et lavt energinivå Ea. Under påvirkning av innfallende lys absorberer elektroner energien til fotonet og går over til et høyt energinivå E2, genererer en fotostrøm. Denne overgangen kalles stimulert absorpsjon. Dette er arbeidsprinsippet til en fotodetektor.
2) Elektroner i det høye energinivået E2er ustabile. Selv uten ytre kraft vil de spontant gå over til lavenerginivået Ea, rekombinere med hull, og frigjøre energi omdannet til fotoner som stråler utover. Denne overgangen kalles spontan emisjon. Dette er arbeidsprinsippet til en lys-diode (LED). Spontant utsendt lys er usammenhengende lys.
3) Når et elektron i det høye energinivået Eaeksiteres av et eksternt foton med energi hf, tvinges den til å gå over til lavenerginivået Ea, rekombinerer med hull, og frigjør samtidig et foton med samme frekvens, fase og retning som eksitasjonslyset (kalt et identisk foton).
Siden denne prosessen genereres under eksitasjon av et eksternt foton, kalles denne overgangen stimulert emisjon. Dette er arbeidsprinsippet til en laser. Stimulert emisjonslys er koherent lys.
Populasjonsinversjon og lysforsterkning
Stimulert utslipp er nøkkelen til lasergenerering. La partikkeltettheten ved det lavere energinivået være N, og partikkeltettheten ved det høyere energinivået være N². Under normale forhold, N > N², noe som betyr at stimulert absorpsjon alltid overstiger stimulert emisjon; det vil si at under termisk likevekt kan ikke materie forsterke lys.
For at materie skal forsterke lys, må stimulert emisjon overstige stimulert absorpsjon, selv om N² > N (antall elektroner ved høyere energinivåer er større enn antallet ved lavere energinivåer). Denne unormale fordelingen av partikkeltall kalles populasjonsinversjon.
Populasjonsinversjon er den primære betingelsen for at et stoff skal produsere lysforsterkning og sende ut lys.
Direkte båndgap og indirekte båndgap halvledere
Ved stimulert emisjon av lys må energi og momentum bevares. Båndgapets form er relatert til momentum; basert på båndgapformen, kan halvledere deles inn i direkte båndgap og indirekte båndgaptyper, som vist i figur 3-3. I direkte båndgap-halvledere har minimumsenerginivået til ledningsbåndet og det maksimale energinivået til valensbåndet samme momentum, og elektroner går vertikalt over, noe som resulterer i høy lyseffektivitet, som vist i figur 3-3a. I indirekte båndgap-halvledere må andre partikler delta for å opprettholde momentumkonservering for elektronoverganger, som vist i figur 3-3b. Bare direkte båndgap-halvledermaterialer kan brukes til å fremstille lysemitterende enheter; disse materialene inkluderer GaAs, AlGaAs, InP og InGaAsP.
Figur 3-3 Direkte båndgap og indirekte båndgap halvledere
Laserprinsipp
En halvlederlaser er en laser som bruker halvledermaterialer som sitt aktive medium; det kalles også en halvlederlaser-selv-oscillator.
For at en laser skal sende ut laserlys, må følgende tre betingelser være oppfylt: det må være et arbeidsstoff (også kalt et aktiverende stoff) som er i stand til å generere laserlys; det må være en eksitasjonskilde (også kalt en pumpekilde) som er i stand til å sette arbeidsstoffet i en populasjonsinversjonstilstand; og det må være en optisk resonator som er i stand til å utføre frekvensvalg og tilbakemelding.
(1) Arbeidsstoffet som er i stand til å generere laserlys, er stoffet som kan oppnå en populasjonsinversjonsfordeling. Når det er aktivert, kalles arbeidsstoffet det aktiverende stoffet eller forsterkningsstoffet, og det er en nødvendig betingelse for lasergenerering.
(2) Pumpekilden er en ekstern eksitasjonskilde som får arbeidsstoffet til å oppnå en populasjonsinversjonsfordeling. Under påvirkning av pumpekilden, Ni> Ni, noe som resulterer i stimulert emisjon større enn stimulert absorpsjon, og dermed forsterker lyset.
(3) Den optiske resonatoren: Det aktiverende stoffet kan bare forsterke lyset. Bare ved å plassere det aktiverende stoffet i en optisk resonator for å gi nødvendig tilbakemelding og velge lysets frekvens og retning kan kontinuerlig lysforsterkning og laseroscillasjonsutgang oppnås. Det aktiverende stoffet og den optiske resonatoren er nødvendige betingelser for å generere laseroscillasjon.
1) Struktur av et optisk resonanshulrom. Strukturen til et optisk resonanshulrom er vist i figur 3-4. Ved å plassere to parallelle speil, M1 og M2, med henholdsvis refleksjonskoeffisienter r1 og r2, i passende posisjoner i begge ender av aktiveringsmaterialet, dannes det enkleste optiske resonanshulrommet, også kalt et Fabry-Perot-hulrom eller FP-hulrom.
Hvis speilene er plane speil, kalles det et plan hulrom; hvis speilene er sfæriske speil, kalles det et sfærisk hulrom. Av de to speilene må det ene kunne reflektere lyset fullstendig, og det andre må kunne reflektere delvis.
Figur 3-4 Struktur av et optisk resonanshulrom
2) Oscillasjonsprosessen for lasergenerering i et resonant hulrom. Et skjematisk diagram av en laser er vist i figur 3-5. Når arbeidsmediet oppnår populasjonsinversjon under påvirkning av pumpekilden, genereres spontane utslipp. Hvis retningen for spontan emisjon ikke er parallell med aksen til det optiske resonanshulrommet, reflekteres det ut av resonanshulrommet. Bare spontan emisjon parallelt med resonanshulens akse kan eksistere og fortsette fremover. Når den møter en partikkel på et høyere energinivå, induserer den en stimulert overgang, og sender ut et identisk foton i overgangen fra det høyere energinivået til det lavere energinivået - dette er stimulert emisjon. Når det stimulerte emisjonslyset reflekterer frem og tilbake én gang i resonanshulrommet, og faseendringen er nøyaktig et heltallsmultiplum av 2π, forsterker flere stimulerte emisjonslys som forplanter seg i samme retning hverandre, og produserer resonans. Etter å ha nådd en viss intensitet, blir den overført gjennom delvis speil M2, og danner en rett laserstråle. Når likevekt er nådd, kansellerer energien som forsterkes av det stimulerte emisjonslyset under hver rundtur i resonanshulrommet nøyaktig energien som forbrukes, og da opprettholder laseren en stabil utgang.
Figur 3-5 Skjematisk diagram av laser
3) Resonanstilstand og resonansfrekvens for et optisk resonanshulrom. La lengden på resonanshulen være L, da er resonanstilstanden til resonanshulen:
I formelen er c lysets hastighet i et vakuum; λ er laserbølgelengden; n er brytningsindeksen til det aktiverende materialet; L er kavitetslengden til det optiske resonanshulrommet; og er det langsgående modusnummeret,=1, 2, 3.
Resonanshulrommet gir positiv tilbakemelding kun til bølgelengden til lysbølgetilfredsstillende ligningen (3-1) eller frekvensen til lysbølgetilfredsstillende ligningen (3-2), noe som får dem til å forsterke hverandre i hulrommet og resonere for å danne laserlys.
Siden stimulert emisjonslys kun danner stående bølger langs hulromsaksen (lengderetning), kalles disse longitudinelle moduser (ulike moduser tilsvarer ulike feltfordelinger).
4) Terskelbetingelse for oscillasjon. Minimum forsterkningsgrense som en laser kan produsere laseroscillasjon ved kalles laserens terskeltilstand (F-P-hulrommet har tap, og lysrefleksjon og brytning fra speil forbruker også kontinuerlig fotoner). Hvis Gu representerer terskelforsterkningskoeffisienten, er terskelbetingelsen for oscillasjon:
I formelen er tapskoeffisienten til det aktive materialet i det optiske resonanshulrommet; L er kavitetslengden til det optiske resonanshulrommet; og og er refleksjonskoeffisientene til de to speilene til det optiske resonanshulrommet.
