Ljuskällor möjliggör omvandling från elektriska signaler tilloptiska signaleroch är kärnkomponenter i optiska sändare och fiberoptiska kommunikationssystem. Deras prestanda påverkar direkt prestanda- och kvalitetsindikatorerna för det fiberoptiska kommunikationssystemet. Det här avsnittet introducerar huvudsakligen strukturen, arbetsprincipen och relaterade egenskaper hos två typer av ljuskällor: laserdioder (LD, även känd som lasrar) och ljus-emitterande dioder (LED), och ger deras tekniska specifikationer.
Flera fysiska begrepp relaterade till lasrar
Begreppet fotoner
Einsteins kvantteori om ljus säger att ljus är sammansatt av fotoner med energihf, där h=6.628 × 10⁻13J·s, känd som Plancks konstant, och f är ljusvågens frekvens. Dessa fotoner kallas fotoner.
När ljus interagerar med materia, absorberas eller emitteras fotonens energi som en helhet, vilket etablerar vågpartikeldualitetsteorin för ljus.
Atomenerginivå
I halvledarkristaller överlappar elektronernas banor utanför atomkärnorna i olika grad på grund av den delade rörelsen av intilliggande atomer. Som visas i figur 3-1 tillhör energinivåerna i kristallen inte längre någon enskild atom; de kan röra sig över ett större område, även genom hela kristallen. Med andra ord har de ursprungliga energinivåerna omvandlats till energiband. Energibandet som bildas av de yttersta energinivåerna kallas ledningsbandet, och de inre energibanden kallas valensbandet. Inga elektroner finns i intervallen mellan dem; detta intervall kallas bandgapet.
Figur 3-1 Energinivåer i en kristall
Tre sätt för interaktion mellan ljus och materia
Interaktionen mellan ljus och materia kan reduceras till interaktionen mellan ljus och atomer, inklusive tre fysiska processer: stimulerad absorption, spontan emission och stimulerad emission. Energinivåerna och elektroniska övergångar för dessa tre interaktionslägen visas i figur 3-2.
Figur 3-2 Energinivåer och elektroniska övergångar i tre samspelssätt mellan ljus och materia.
1) Under normala förhållanden är elektroner vanligtvis i en låg energinivå Ea. Under påverkan av infallande ljus absorberar elektroner fotonens energi och övergår till en hög energinivå E2, genererar en fotoström. Denna övergång kallas stimulerad absorption. Detta är arbetsprincipen för en fotodetektor.
2) Elektroner i den höga energinivån E2är instabila. Även utan yttre kraft kommer de spontant att övergå till lågenerginivån Ea, rekombinerar med hål och frigör energi som omvandlas till fotoner som strålar utåt. Denna övergång kallas spontan emission. Detta är arbetsprincipen för en -ljusdiod (LED). Spontant ljus är inkoherent ljus.
3) När en elektron i den höga energinivån Eaexciteras av en extern foton med energi hf, tvingas den övergå till lågenerginivån Ea, rekombinerar med hål och frigör samtidigt en foton med samma frekvens, fas och riktning som excitationsljuset (kallas en identisk foton).
Eftersom denna process genereras under excitation av en extern foton, kallas denna övergång stimulerad emission. Detta är arbetsprincipen för en laser. Stimulerat emissionsljus är koherent ljus.
Populationsinversion och ljusförstärkning
Stimulerad emission är nyckeln till lasergenerering. Låt partikeldensiteten vid den lägre energinivån vara N, och partikeldensiteten vid den högre energinivån vara N². Under normala förhållanden, N > N², vilket betyder att stimulerad absorption alltid överstiger stimulerad emission; det vill säga under termisk jämvikt kan materia inte förstärka ljus.
För att materia ska förstärka ljus måste den stimulerade emissionen överstiga den stimulerade absorptionen, även om N² > N (antalet elektroner vid högre energinivåer är större än antalet vid lägre energinivåer). Denna onormala fördelning av partikelantal kallas populationsinversion.
Populationsinversion är det primära villkoret för att ett ämne ska producera ljusförstärkning och avge ljus.
Direkt bandgap och indirekt bandgap halvledare
Vid stimulerad ljusemission måste energi och momentum bevaras. Bandgapets form är relaterad till momentum; baserat på bandgapformen kan halvledare delas in i direktbandgap och indirekta bandgaptyper, som visas i figur 3-3. I direktbandsgap-halvledare har den lägsta energinivån för ledningsbandet och den maximala energinivån för valensbandet samma rörelsemängd, och elektroner övergår vertikalt, vilket resulterar i hög ljuseffektivitet, som visas i figur 3-3a. I halvledare med indirekt bandgap måste andra partiklar delta för att bibehålla momentumkonservering för elektronövergångar, som visas i figur 3-3b. Endast halvledarmaterial med direkt bandgap kan användas för att tillverka ljusemitterande enheter; dessa material inkluderar GaAs, AlGaAs, InP och InGaAsP.
Figur 3-3 Direkt bandgap och indirekt bandgap halvledare
Laserprincip
En halvledarlaser är en laser som använder halvledarmaterial som sitt aktiva medium; det kallas också en halvledarlaser själv-oscillator.
För att en laser ska avge laserljus måste följande tre villkor vara uppfyllda: det måste finnas en fungerande substans (även kallad en aktiverande substans) som kan generera laserljus; det måste finnas en excitationskälla (även kallad en pumpkälla) som kan försätta den arbetande substansen i ett populationsinversionstillstånd; och det måste finnas en optisk resonator som kan utföra frekvensval och återkoppling.
(1) Den arbetssubstans som kan generera laserljus är den substans som kan uppnå en populationsinversionsfördelning. När den väl har aktiverats kallas den aktiva substansen den aktiverande substansen eller förstärkningssubstansen, och det är ett nödvändigt villkor för lasergenerering.
(2) Pumpkällan är en extern excitationskälla som får arbetssubstansen att uppnå en populationsinversionsfördelning. Under inverkan av pumpkällan, Ni> Ni, vilket resulterar i stimulerad emission större än stimulerad absorption, vilket förstärker ljuset.
(3) Den optiska resonatorn: Den aktiverande substansen kan bara förstärka ljuset. Endast genom att placera den aktiverande substansen i en optisk resonator för att ge nödvändig återkoppling och välja ljusets frekvens och riktning kan kontinuerlig ljusförstärkning och laseroscillationsutgång erhållas. Den aktiverande substansen och den optiska resonatorn är nödvändiga betingelser för att generera laseroscillation.
1) Struktur av en optisk resonanshålighet. Strukturen för en optisk resonanshålighet visas i figur 3-4. Genom att placera två parallella speglar, M1 och M2, med reflektionskoefficienter r1 respektive r2, vid lämpliga positioner i båda ändarna av det aktiverande materialet, bildas den enklaste optiska resonanshåligheten, även kallad Fabry-Perot-kavitet eller FP-kavitet.
Om speglarna är plana speglar kallas det en plan hålighet; om speglarna är sfäriska speglar kallas det en sfärisk kavitet. Av de två speglarna måste den ena kunna reflektera ljuset helt, och den andra måste kunna reflektera delvis.
Figur 3-4 Struktur för en optisk resonanshålighet
2) Oscillationsprocessen för lasergenerering i en resonanshålighet. Ett schematiskt diagram av en laser visas i figur 3-5. När arbetsmediet uppnår populationsinversion under inverkan av pumpkällan, genereras spontan emission. Om riktningen för spontan emission inte är parallell med den optiska resonanskavitetens axel, reflekteras den ut ur resonanshåligheten. Endast spontan emission parallell med resonanshålighetens axel kan existera och fortsätta framåt. När den möter en partikel på en högre energinivå, inducerar den en stimulerad övergång, avger en identisk foton i övergången från den högre energinivån till den lägre energinivån - detta är stimulerad emission. När det stimulerade emissionsljuset reflekteras fram och tillbaka en gång i resonanshålrummet, och fasändringen är exakt en heltalsmultipel av 2π, förstärker flera stimulerade emissionsljus som utbreder sig i samma riktning varandra och producerar resonans. Efter att ha nått en viss intensitet överförs den genom partiell spegel M2 och bildar en rak laserstråle. När jämvikt uppnås, eliminerar energin som förstärks av det stimulerade emissionsljuset under varje tur och retur i resonanshålrummet exakt den förbrukade energin, vid vilken punkt lasern bibehåller en stabil uteffekt.
Figur 3-5 Schematiskt diagram av laser
3) Resonanstillstånd och resonansfrekvens för en optisk resonanskavitet. Låt resonanshålighetens längd vara L, då är resonansförhållandet för resonanshåligheten:
I formeln är c ljusets hastighet i vakuum; λ är laservåglängden; n är brytningsindexet för det aktiverande materialet; L är kavitetslängden för den optiska resonanskaviteten; och är det longitudinella lägets nummer,=1, 2, 3.
Resonantkaviteten ger positiv återkoppling endast till våglängden för den ljusvågstillfredsställande ekvationen (3-1) eller frekvensen för den ljusvågstillfredsställande ekvationen (3-2), vilket får dem att förstärka varandra i kaviteten och resonera för att bilda laserljus.
Eftersom stimulerat emissionsljus endast bildar stående vågor längs kavitetsaxeln (längdriktning) kallas dessa longitudinella moder (olika moder motsvarar olika fältfördelningar).
4) Tröskelvillkor för oscillation. Den lägsta förstärkningsgränsen vid vilken en laser kan producera laseroscillation kallas laserns tröskeltillstånd (F-P-kaviteten har förluster, och ljusreflektion och brytning från speglar förbrukar också kontinuerligt fotoner). Om Gu representerar tröskelförstärkningskoefficienten, är tröskelvillkoret för oscillation:
I formeln är förlustkoefficienten för det aktiva materialet i den optiska resonanskaviteten; L är kavitetslängden för den optiska resonanskaviteten; och och är reflektionskoefficienterna för de två speglarna i den optiska resonanskaviteten.
