Valonlähteet mahdollistavat muuntamisen sähköisistä signaaleistaoptisia signaalejaja ovat optisten lähettimien ja kuituoptisten viestintäjärjestelmien ydinkomponentteja. Niiden suorituskyky vaikuttaa suoraan kuituoptisen viestintäjärjestelmän suorituskyky- ja laatuindikaattoreihin. Tämä osio esittelee pääasiassa kahden valonlähteen rakenteen, toimintaperiaatteen ja niihin liittyvät ominaisuudet: laserdiodit (LD, tunnetaan myös nimellä laserit) ja valo{2}}diodit (LED) sekä niiden tekniset tiedot.
Useita lasereihin liittyviä fyysisiä käsitteitä
Fotonien käsite
Einsteinin valon kvanttiteoria väittää, että valo koostuu fotoneista, joilla on energiaahf, jossa h=6.628 × 10⁻13J·s, joka tunnetaan Planckin vakiona, ja f on valoaallon taajuus. Näitä fotoneja kutsutaan fotoneiksi.
Kun valo on vuorovaikutuksessa aineen kanssa, fotonin energia absorboituu tai emittoituu kokonaisuutena, mikä vahvistaa valon aalto{0}}hiukkasten kaksinaisuusteorian.
Atomienergiataso
Puolijohdekiteissä atomiytimien ulkopuolella olevien elektronien kiertoradat limittyvät eriasteisesti vierekkäisten atomien yhteisestä liikkeestä johtuen. Kuten kuvasta 3-1 näkyy, kiteen energiatasot eivät enää kuulu millekään yksittäiselle atomille; ne voivat liikkua laajemmalla alueella, jopa koko kristallin läpi. Toisin sanoen alkuperäiset energiatasot on muunnettu energiavyöhykkeiksi. Uloimpien energiatasojen muodostamaa energiakaistaa kutsutaan johtavuuskaistaksi ja sisäisiä energiavyöhykkeitä valenssikaistaksi. Niiden välisissä väleissä ei ole elektroneja; tätä väliä kutsutaan kaistaväliksi.
Kuva 3-1 Energiatasot kristallissa
Kolme vuorovaikutusta valon ja aineen välillä
Valon ja aineen välinen vuorovaikutus voidaan pelkistää valon ja atomien väliseksi vuorovaikutukseksi, mukaan lukien kolme fysikaalista prosessia: stimuloitu absorptio, spontaani emissio ja stimuloitu emissio. Näiden kolmen vuorovaikutustilan energiatasot ja elektroniset siirtymät on esitetty kuvassa 3-2.
Kuva 3-2 Energiatasot ja elektroniset siirtymät kolmessa valon ja aineen vuorovaikutusmuodossa.
1) Normaaliolosuhteissa elektronit ovat yleensä alhaisella energiatasolla Ea. Tulevan valon vaikutuksesta elektronit absorboivat fotonin energiaa ja siirtyvät korkealle energiatasolle E2, tuottaa valovirran. Tätä siirtymää kutsutaan stimuloiduksi absorptioksi. Tämä on valoilmaisimen toimintaperiaate.
2) Elektronit korkealla energiatasolla E2ovat epävakaita. Jopa ilman ulkoista voimaa ne siirtyvät spontaanisti alhaiselle energiatasolle Ea, yhdistyvät uudelleen reikien kanssa ja vapauttavat energiaa, joka muuttuu fotoneiksi, jotka säteilevät ulospäin. Tätä siirtymää kutsutaan spontaaniksi emissioniksi. Tämä on valodiodin (LED) toimintaperiaate. Spontaanisti säteilevä valo on epäkoherenttia valoa.
3) Kun elektroni korkealla energiatasolla Eaviritetään ulkoisella fotonilla, jonka energia on hf, sen on pakko siirtyä matalalle energiatasolle Ea, yhdistyvät uudelleen reikien kanssa ja vapauttaa samanaikaisesti fotonin, jolla on sama taajuus, vaihe ja suunta kuin viritysvalo (kutsutaan identtiseksi fotoniksi).
Koska tämä prosessi syntyy ulkoisen fotonin virityksessä, tätä siirtymää kutsutaan stimuloiduksi emissioksi. Tämä on laserin toimintaperiaate. Stimuloitu emissiovalo on koherenttia valoa.
Populaation inversio ja valon vahvistus
Stimuloitu emissio on avain lasertuotantoon. Olkoon hiukkastiheys alemmalla energiatasolla N ja hiukkastiheys korkeammalla energiatasolla N². Normaaleissa olosuhteissa N > N², mikä tarkoittaa, että stimuloitu absorptio ylittää aina stimuloidun emission; eli lämpötasapainossa aine ei voi vahvistaa valoa.
Jotta aine voi vahvistaa valoa, stimuloidun emission on ylitettävä stimuloitu absorptio, vaikka N² > N (elektronien lukumäärä korkeammilla energiatasoilla on suurempi kuin lukumäärä alemmilla energiatasoilla). Tätä epänormaalia hiukkaslukujen jakautumista kutsutaan populaatioinversioksi.
Populaation inversio on ensisijainen edellytys sille, että aine tuottaa valon vahvistusta ja säteilee valoa.
Suora kaistaväli ja epäsuora kaistavälipuolijohteet
Stimuloidussa valopäästössä energiaa ja liikemäärää on säilytettävä. Bändivälin muoto liittyy vauhtiin; kaistavälin muodon perusteella puolijohteet voidaan jakaa suoriin ja epäsuoriin kaistavälityyppeihin kuvan 3-3 mukaisesti. Suorakaistavälissä olevissa puolijohteissa johtavuuskaistan minimienergiatasolla ja valenssikaistan maksimienergiatasolla on sama liikemäärä ja elektronit siirtyvät pystysuunnassa, mikä johtaa korkeaan valotehokkuuteen, kuten kuvassa 3-3a näkyy. Epäsuorassa kaistavälissä olevissa puolijohteissa muiden hiukkasten on osallistuttava liikemäärän säilymisen ylläpitämiseksi elektronimuutoksissa, kuten kuvassa 3-3b. Vain suorakaistavälisiä puolijohdemateriaaleja voidaan käyttää valoa lähettävien laitteiden valmistukseen; näitä materiaaleja ovat GaAs, AlGaAs, InP ja InGaAsP.
Kuva 3-3 Suora kaistaväli ja epäsuora kaistavälipuolijohteet
Laser periaate
Puolijohdelaser on laser, joka käyttää puolijohdemateriaaleja aktiivisena väliaineenaan; sitä kutsutaan myös puolijohdelaser-itse{0}}oskillaattoriksi.
Jotta laser säteilee laservaloa, seuraavien kolmen edellytyksen on täytyttävä: On oltava toimiva aine (kutsutaan myös aktivoivaksi aineeksi), joka pystyy tuottamaan laservaloa; täytyy olla virityslähde (kutsutaan myös pumppulähteeksi), joka pystyy saattamaan toimivan aineen populaation inversion tilaan; ja siinä täytyy olla optinen resonaattori, joka pystyy suorittamaan taajuuden valinnan ja takaisinkytkennän.
(1) Laservaloa tuottava työaine on aine, jolla voidaan saavuttaa populaation inversiojakauma. Aktivoituna toimivaa ainetta kutsutaan aktivoivaksi aineeksi tai vahvistusaineeksi, ja se on välttämätön edellytys laserin generoinnille.
(2) Pumppulähde on ulkoinen virityslähde, joka saa työaineen saavuttamaan populaation inversiojakauman. Pumppulähteen vaikutuksesta Ni> Ni, jolloin stimuloitu emissio on suurempi kuin stimuloitu absorptio, mikä vahvistaa valoa.
(3) Optinen resonaattori: Aktivoiva aine voi vain vahvistaa valoa. Vain asettamalla aktivoiva aine optiseen resonaattoriin tarvittavan palautteen saamiseksi ja valon taajuuden ja suunnan valitsemiseksi voidaan saavuttaa jatkuva valon vahvistus ja laservärähtelyteho. Aktivoiva aine ja optinen resonaattori ovat välttämättömiä edellytyksiä laservärähtelyn synnyttämiselle.
1) Optisen resonanssiontelon rakenne. Optisen resonanssiontelon rakenne on esitetty kuvassa 3-4. Asettamalla kaksi rinnakkaista peiliä, M1 ja M2, joissa on vastaavasti heijastuskertoimet r1 ja r2, sopiviin paikkoihin aktivoivan materiaalin molempiin päihin, muodostuu yksinkertaisin optinen resonanssiontelo, jota kutsutaan myös Fabry-Perot-onteloksi tai FP-onteloksi.
Jos peilit ovat tasopeilejä, sitä kutsutaan tasoonteloksi; jos peilit ovat pallomaisia peilejä, sitä kutsutaan pallomaiseksi onkaloksi. Näistä kahdesta peilistä toisen on kyettävä heijastamaan valo kokonaan ja toisen osittain.
Kuva 3-4 Optisen resonanssiontelon rakenne
2) Laserkehityksen värähtelyprosessi resonanssiontelossa. Kaavakuva laserista on esitetty kuvassa 3-5. Kun työväliaine saavuttaa populaation inversion pumppulähteen vaikutuksesta, syntyy spontaani emissio. Jos spontaanin emission suunta ei ole yhdensuuntainen optisen resonanssiontelon akselin kanssa, se heijastuu ulos resonanssiontelosta. Vain resonanssiontelon akselin suuntainen spontaani emissio voi olla olemassa ja jatkua eteenpäin. Kun se kohtaa hiukkasen korkeammalla energiatasolla, se indusoi stimuloidun siirtymän, joka lähettää identtisen fotonin siirtyessä korkeammasta energiatasosta alemmalle energiatasolle - tämä on stimuloitua emissiota. Kun stimuloitu emissiovalo heijastuu kerran edestakaisin resonanssiontelossa ja vaihemuutos on täsmälleen 2π:n kokonaislukukerrannainen, useat samaan suuntaan etenevät stimuloidut emissiovalot vahvistavat toisiaan tuottaen resonanssia. Tietyn intensiteetin saavuttamisen jälkeen se välittyy osittaisen peilin M2 läpi muodostaen suoran lasersäteen. Kun tasapaino saavutetaan, stimuloidun emissiovalon vahvistama energia jokaisen edestakaisen matkan aikana resonanssiontelossa kumoaa kulutetun energian, jolloin laser säilyttää vakaan tehon.
Kuva 3-5 Laserkaavio
3) Optisen resonanssiontelon resonanssitila ja resonanssitaajuus. Olkoon resonanssiontelon pituus L, jolloin resonanssiontelon resonanssitila on:
Kaavassa c on valon nopeus tyhjiössä; λ on laserin aallonpituus; n on aktivoivan materiaalin taitekerroin; L on optisen resonanssiontelon ontelon pituus; ja on pitkittäismoodin numero,=1, 2, 3.
Resonanssiontelo antaa positiivista palautetta vain valoaallon tyydyttävän yhtälön (3-1) aallonpituudelle tai valoaallon tyydyttävän yhtälön (3-2) taajuudelle, jolloin ne vahvistavat toisiaan onkalossa ja resonoivat muodostaen laservaloa.
Koska stimuloitu emissiovalo muodostaa vain seisovia aaltoja kaviteetin akselilla (pituussuunta), niitä kutsutaan pitkittäismuodoiksi (eri tilat vastaavat erilaisia kenttäjakaumia).
4) Värähtelyn kynnysehto. Vähimmäisvahvistusrajaa, jolla laser voi tuottaa laservärähtelyä, kutsutaan laserin kynnystilaksi (F-P-onkalossa on häviöitä, ja myös valon heijastus ja taittuminen peileistä kuluttavat jatkuvasti fotoneja). Jos Gu edustaa kynnysvahvistuskerrointa, niin värähtelyn kynnysehto on:
Kaavassa on aktiivisen materiaalin häviökerroin optisessa resonanssiontelossa; L on optisen resonanssiontelon ontelon pituus; ja ja ovat optisen resonanssiontelon kahden peilin heijastuskertoimet.
