Světelné zdroje umožňují převod z elektrických signálů naoptické signálya jsou základními součástmi optických vysílačů a komunikačních systémů z optických vláken. Jejich výkon přímo ovlivňuje výkon a ukazatele kvality optického komunikačního systému. Tato část představuje především strukturu, princip činnosti a související charakteristiky dvou typů světelných zdrojů: laserových diod (LD, známé také jako lasery) a světelných -diod (LED) a poskytuje jejich technické specifikace.
Několik fyzikálních konceptů souvisejících s lasery
Pojem fotonů
Einsteinova kvantová teorie světla říká, že světlo se skládá z fotonů s energiíhf, kde h=6.628 × 10⁻13J·s, známá jako Planckova konstanta, a f je frekvence světelné vlny. Tyto fotony se nazývají fotony.
Když světlo interaguje s hmotou, energie fotonu je absorbována nebo vyzařována jako celek, což vytváří vlnovou -teorii duality částic světla.
Úroveň atomové energie
V polovodičových krystalech se dráhy elektronů mimo atomová jádra v různé míře překrývají v důsledku sdíleného pohybu sousedních atomů. Jak je znázorněno na obrázku 3-1, energetické hladiny v krystalu již nepatří žádnému jednotlivému atomu; mohou se pohybovat po širší oblasti, dokonce i po celém krystalu. Jinými slovy, původní energetické hladiny byly transformovány do energetických pásů. Energetický pás tvořený nejvzdálenějšími energetickými hladinami se nazývá vodivostní pás a vnitřní energetické pásy se nazývají valenční pás. V intervalech mezi nimi neexistují žádné elektrony; tento interval se nazývá pásmová mezera.
Obrázek 3-1 Energetické hladiny v krystalu
Tři způsoby interakce mezi světlem a hmotou
Interakce mezi světlem a hmotou může být redukována na interakci mezi světlem a atomy, včetně tří fyzikálních procesů: stimulovaná absorpce, spontánní emise a stimulovaná emise. Energetické hladiny a elektronické přechody těchto tří režimů interakce jsou znázorněny na obrázku 3-2.
Obrázek 3-2 Energetické hladiny a elektronické přechody ve třech režimech interakce mezi světlem a hmotou.
1) Za normálních podmínek jsou elektrony obvykle v nízké energetické hladině Ea. Vlivem dopadajícího světla elektrony absorbují energii fotonu a přecházejí na vysokou energetickou hladinu E2, generující fotoproud. Tento přechod se nazývá stimulovaná absorpce. Toto je princip fungování fotodetektoru.
2) Elektrony ve vysokoenergetické hladině E2jsou nestabilní. I bez vnější síly spontánně přejdou na nízkou energetickou hladinu Ea, rekombinují se s dírami a uvolňují energii přeměněnou na fotony, které jsou vyzařovány směrem ven. Tento přechod se nazývá spontánní emise. Toto je princip fungování světelné-diody (LED). Spontánně emitované světlo je nekoherentní světlo.
3) Když je elektron ve vysoké energetické hladině Eaje buzen vnějším fotonem s energií hfje nucen přejít na nízkoenergetickou hladinu Ea, rekombinovat s dírami a současně uvolňovat foton se stejnou frekvencí, fází a směrem jako excitační světlo (tzv. identický foton).
Protože tento proces je generován při excitaci externího fotonu, tento přechod se nazývá stimulovaná emise. Toto je princip fungování laseru. Stimulované emisní světlo je koherentní světlo.
Populační inverze a zesílení světla
Stimulovaná emise je klíčem ke generaci laseru. Hustota částic na nižší energetické úrovni je N a hustota částic na vyšší energetické úrovni je N². Za normálních podmínek N > N², což znamená, že stimulovaná absorpce vždy převyšuje stimulovanou emisi; to znamená, že při tepelné rovnováze nemůže hmota zesílit světlo.
Aby hmota zesílila světlo, musí stimulovaná emise převýšit stimulovanou absorpci, i když N² > N (počet elektronů na vyšších energetických hladinách je větší než počet na nižších energetických hladinách). Toto abnormální rozložení počtu částic se nazývá inverze populace.
Populační inverze je primární podmínkou pro to, aby látka produkovala zesílení světla a emitovala světlo.
Polovodiče s přímým a nepřímým pásmovým odstupem
Při stimulované emisi světla musí být zachována energie a hybnost. Tvar zakázaného pásu souvisí s hybností; na základě tvaru zakázaného pásma lze polovodiče rozdělit na typy s přímým a nepřímým pásmem, jak je znázorněno na obrázku 3-3. U polovodičů s přímou mezerou v pásmu mají minimální energetická hladina vodivostního pásma a maximální energetická hladina valenčního pásma stejnou hybnost a elektrony přecházejí vertikálně, což má za následek vysokou světelnou účinnost, jak je znázorněno na obrázku 3-3a. V nepřímých polovodičích s mezerou v pásmu se musí podílet další částice, aby se zachovala hybnost pro elektronové přechody, jak je znázorněno na obrázku 3-3b. K výrobě zařízení vyzařujících světlo lze použít pouze polovodičové materiály s přímou mezerou v pásmu; tyto materiály zahrnují GaAs, AlGaAs, InP a InGaAsP.
Obrázek 3-3 Polovodiče s přímým a nepřímým pásmovým odstupem
Princip laseru
Polovodičový laser je laser, který využívá polovodičové materiály jako své aktivní médium; nazývá se také polovodičový laserový-oscilátor.
Aby laser emitoval laserové světlo, musí být splněny následující tři podmínky: musí existovat pracovní látka (nazývaná také aktivační látka) schopná generovat laserové světlo; musí existovat zdroj buzení (také nazývaný zdroj čerpadla) schopný uvést pracovní látku do stavu inverze populace; a musí existovat optický rezonátor schopný provádět výběr frekvence a zpětnou vazbu.
(1) Pracovní látka schopná generovat laserové světlo je látka, která může dosáhnout rozložení inverze populace. Po aktivaci se pracovní látka nazývá aktivační látka nebo zisková látka a je nezbytnou podmínkou pro generování laseru.
(2) Zdroj čerpadla je externí zdroj buzení, který způsobí, že pracovní látka dosáhne inverzního rozložení populace. Při působení zdroje čerpadla Ni> Ni, což vede ke stimulované emisi větší než stimulovaná absorpce, čímž dochází k zesílení světla.
(3) Optický rezonátor: Aktivační látka může pouze zesílit světlo. Pouze umístěním aktivační látky do optického rezonátoru pro poskytnutí potřebné zpětné vazby a zvolení frekvence a směru světla lze dosáhnout kontinuálního zesilování světla a výstupu laserových oscilací. Aktivační látka a optický rezonátor jsou nezbytnými podmínkami pro generování laserové oscilace.
1) Struktura optické rezonanční dutiny. Struktura optické rezonanční dutiny je znázorněna na obrázku 3-4. Umístěním dvou paralelních zrcadel, M1 a M2, s koeficienty odrazu r1 a r2, v daném pořadí, do vhodných pozic na obou koncích aktivačního materiálu, vznikne nejjednodušší optická rezonanční dutina, nazývaná také Fabry-Perotova dutina nebo FP dutina.
Jsou-li zrcadla rovinnými zrcadly, nazývá se to rovinná dutina; pokud jsou zrcadla sférickými zrcadly, nazývá se to sférická dutina. Jedno ze dvou zrcadel musí být schopno odrážet světlo úplně a druhé musí být schopno odrážet částečně.
Obrázek 3-4 Struktura optické rezonanční dutiny
2) Oscilační proces generování laseru v rezonanční dutině. Schematický diagram laseru je znázorněn na obrázku 3-5. Když pracovní médium dosáhne inverze populace působením zdroje čerpadla, vzniká spontánní emise. Pokud směr spontánní emise není rovnoběžný s osou optické rezonanční dutiny, odrazí se ven z rezonanční dutiny. Pouze spontánní emise rovnoběžná s osou rezonanční dutiny může existovat a pokračovat vpřed. Když se setká s částicí na vyšší energetické hladině, vyvolá stimulovaný přechod, přičemž při přechodu z vyšší energetické hladiny na nižší energetickou hladinu emituje identický foton – jedná se o stimulovanou emisi. Když se stimulované emisní světlo odráží tam a zpět v rezonanční dutině a fázová změna je přesně celočíselný násobek 2π, několik stimulovaných emisních světel šířících se ve stejném směru se navzájem posiluje a vytváří rezonanci. Po dosažení určité intenzity je přenášen přes částečné zrcadlo M2, tvořící přímý laserový paprsek. Když je dosaženo rovnováhy, energie zesílená stimulovaným emisním světlem během každé okružní cesty v rezonanční dutině přesně ruší spotřebovanou energii, v tomto okamžiku si laser udržuje stabilní výkon.
Obrázek 3-5 Schematické schéma laseru
3) Rezonanční stav a rezonanční frekvence optické rezonanční dutiny. Nechť je délka rezonanční dutiny L, pak rezonanční stav rezonanční dutiny je:
Ve vzorci je c rychlost světla ve vakuu; λ je vlnová délka laseru; n je index lomu aktivačního materiálu; L je délka dutiny optické rezonanční dutiny; a je číslo podélného režimu,=1, 2, 3.
Rezonanční dutina poskytuje pozitivní zpětnou vazbu pouze na vlnovou délku rovnice vyhovující světelné vlně (3-1) nebo frekvenci rovnice vyhovující světelné vlně (3-2), což způsobuje, že se vzájemně posilují v dutině a rezonují za vzniku laserového světla.
Protože stimulované emisní světlo tvoří pouze stojaté vlny podél osy dutiny (podélný směr), nazývají se podélné módy (různé módy odpovídají různému rozložení pole).
4) Prahová podmínka pro oscilaci. Minimální hranice zisku, při které může laser vyvolat oscilaci laseru, se nazývá prahová podmínka laseru (dutina F-P má ztráty a odraz a lom světla od zrcadel také nepřetržitě spotřebovává fotony). Pokud Gu představuje prahový koeficient zesílení, pak prahová podmínka pro oscilaci je:
Ve vzorci je ztrátový koeficient aktivního materiálu v optické rezonanční dutině; L je délka dutiny optické rezonanční dutiny; a a jsou koeficienty odrazu dvou zrcadel optické rezonanční dutiny.
