Sursele de lumină permit conversia de la semnale electrice lasemnale opticeși sunt componente de bază ale transmițătoarelor optice și ale sistemelor de comunicații prin fibră optică. Performanța lor afectează direct indicatorii de performanță și calitate ai sistemului de comunicații prin fibră optică. Această secțiune prezintă în principal structura, principiul de funcționare și caracteristicile aferente a două tipuri de surse de lumină: diode laser (LD-uri, cunoscute și sub numele de lasere) și diode emițătoare de lumină-(LED-uri) și furnizează specificațiile tehnice ale acestora.
Mai multe concepte fizice legate de lasere
Conceptul de fotoni
Teoria cuantică a luminii a lui Einstein afirmă că lumina este compusă din fotoni cu energiehf, unde h=6.628 × 10⁻13J·s, cunoscută ca constanta lui Planck, și f este frecvența undei luminoase. Acești fotoni se numesc fotoni.
Când lumina interacționează cu materia, energia fotonului este absorbită sau emisă în ansamblu, stabilind teoria dualității de undă-particule a luminii.
Nivelul energiei atomice
În cristalele semiconductoare, orbitele electronilor din afara nucleelor atomice se suprapun în diferite grade datorită mișcării comune a atomilor adiacenți. După cum se arată în Figura 3-1, nivelurile de energie din cristal nu mai aparțin unui singur atom; se pot deplasa pe o zonă mai largă, chiar și pe întregul cristal. Cu alte cuvinte, nivelurile originale de energie au fost transformate în benzi de energie. Banda de energie formată de nivelurile de energie cele mai exterioare se numește bandă de conducere, iar benzile de energie interioare sunt numite bandă de valență. Nu există electroni în intervalele dintre ei; acest interval se numește band gap.
Figura 3-1 Nivelurile de energie dintr-un cristal
Trei moduri de interacțiune între lumină și materie
Interacțiunea dintre lumină și materie poate fi redusă la interacțiunea dintre lumină și atomi, incluzând trei procese fizice: absorbția stimulată, emisia spontană și emisia stimulată. Nivelurile de energie și tranzițiile electronice ale acestor trei moduri de interacțiune sunt prezentate în Figura 3-2.
Figura 3-2 Niveluri de energie și tranziții electronice în trei moduri de interacțiune între lumină și materie.
1) În condiții normale, electronii sunt de obicei la un nivel scăzut de energie Ea. Sub influența luminii incidente, electronii absorb energia fotonului și trec la un nivel ridicat de energie E2, generând un fotocurent. Această tranziție se numește absorbție stimulată. Acesta este principiul de funcționare al unui fotodetector.
2) Electroni la nivelul energetic ridicat E2sunt instabile. Chiar și fără forță externă, ei vor trece spontan la nivelul scăzut de energie Ea, se recombină cu găuri și eliberează energie convertită în fotoni care sunt radiați spre exterior. Această tranziție se numește emisie spontană. Acesta este principiul de funcționare al unei-diode emițătoare de lumină (LED). Lumina emisă spontan este lumină incoerentă.
3) Când un electron se află la nivelul de energie ridicat Eaeste excitat de un foton extern cu energia hf, este forțat să treacă la nivelul scăzut de energie Ea, se recombină cu găuri și eliberează simultan un foton cu aceeași frecvență, fază și direcție ca și lumina de excitație (numită foton identic).
Deoarece acest proces este generat sub excitația unui foton extern, această tranziție se numește emisie stimulată. Acesta este principiul de funcționare al unui laser. Lumina cu emisie stimulată este lumină coerentă.
Inversarea populației și amplificarea luminii
Emisia stimulată este esențială pentru generarea laserului. Fie ca densitatea particulelor la nivelul de energie inferior să fie N, iar densitatea particulelor la nivelul de energie superior să fie N². În condiții normale, N > N², adică absorbția stimulată depășește întotdeauna emisia stimulată; adică în echilibru termic, materia nu poate amplifica lumina.
Pentru ca materia să amplifice lumina, emisia stimulată trebuie să depășească absorbția stimulată, chiar dacă N² > N (numărul de electroni la niveluri de energie mai ridicate este mai mare decât numărul de la niveluri de energie mai scăzute). Această distribuție anormală a numerelor de particule se numește inversiune populației.
Inversarea populației este condiția principală pentru ca o substanță să producă amplificarea luminii și să emită lumină.
Semiconductori bandgap direct și bandgap indirect
În emisia stimulată de lumină, energia și impulsul trebuie conservate. Forma band gap este legată de impuls; pe baza formei benzii interzise, semiconductorii pot fi împărțiți în tipuri directe de bandă interzisă și indirecte, așa cum se arată în Figura 3-3. În semiconductori cu bandă interzisă directă, nivelul minim de energie al benzii de conducție și nivelul maxim de energie al benzii de valență au același impuls, iar electronii tranzitează vertical, rezultând o eficiență luminoasă ridicată, așa cum se arată în Figura 3-3a. În semiconductori cu bandă interzisă indirectă, alte particule trebuie să participe pentru a menține conservarea impulsului pentru tranzițiile electronilor, așa cum se arată în Figura 3-3b. Numai materialele semiconductoare cu bandă interzisă direct pot fi utilizate pentru a fabrica dispozitive care emit lumină; aceste materiale includ GaAs, AlGaAs, InP și InGaAsP.
Figura 3-3 Semiconductori bandgap direct și bandgap indirect
Principiul laserului
Un laser semiconductor este un laser care folosește materiale semiconductoare ca mediu activ; se mai numește și auto{0}}oscilator laser semiconductor.
Pentru ca un laser să emită lumină laser, trebuie îndeplinite următoarele trei condiții: trebuie să existe o substanță de lucru (numită și substanță activatoare) capabilă să genereze lumină laser; trebuie să existe o sursă de excitație (numită și sursă de pompă) capabilă să pună substanța de lucru într-o stare de inversare a populației; și trebuie să existe un rezonator optic capabil să efectueze selecția frecvenței și feedback-ul.
(1) Substanța de lucru capabilă să genereze lumină laser este substanța care poate realiza o distribuție inversă a populației. Odată activată, substanța de lucru se numește substanță activatoare sau substanță de câștig și este o condiție necesară pentru generarea laserului.
(2) Sursa pompei este o sursă externă de excitație care face ca substanța de lucru să realizeze o distribuție inversă a populației. Sub acțiunea sursei pompei, Ni> Ni, rezultând o emisie stimulată mai mare decât absorbția stimulată, amplificând astfel lumina.
(3) Rezonatorul optic: Substanța activatoare poate doar amplifica lumina. Numai prin plasarea substanței de activare într-un rezonator optic pentru a furniza feedback-ul necesar și pentru a selecta frecvența și direcția luminii se poate obține amplificarea continuă a luminii și ieșirea oscilației laser. Substanța activatoare și rezonatorul optic sunt condiții necesare pentru generarea oscilației laser.
1) Structura unei cavități rezonante optice. Structura unei cavități rezonante optice este prezentată în Figura 3-4. Prin plasarea a două oglinzi paralele, M1 și M2, cu coeficienții de reflexie r1 și respectiv r2, în poziții adecvate la ambele capete ale materialului de activare, se formează cea mai simplă cavitate optică rezonantă, numită și cavitate Fabry-Perot sau cavitate FP.
Dacă oglinzile sunt oglinzi plane, se numește cavitate plană; dacă oglinzile sunt oglinzi sferice, se numește cavitate sferică. Dintre cele două oglinzi, una trebuie să poată reflecta lumina complet, iar cealaltă trebuie să poată reflecta parțial.
Figura 3-4 Structura unei cavități rezonante optice
2) Procesul de oscilație al generării laserului într-o cavitate rezonantă. O diagramă schematică a unui laser este prezentată în Figura 3-5. Când mediul de lucru realizează inversarea populației sub acțiunea sursei pompei, se generează o emisie spontană. Dacă direcția de emisie spontană nu este paralelă cu axa cavității rezonante optice, aceasta este reflectată din cavitatea rezonantă. Numai emisia spontană paralelă cu axa cavității rezonante poate exista și continua înainte. Când întâlnește o particulă la un nivel de energie mai mare, induce o tranziție stimulată, emițând un foton identic în tranziția de la nivelul de energie mai înalt la nivelul de energie inferior - aceasta este o emisie stimulată. Când lumina de emisie stimulată se reflectă înainte și înapoi o dată în cavitatea rezonantă, iar schimbarea de fază este exact un multiplu întreg de 2π, mai multe lumini de emisie stimulată care se propagă în aceeași direcție se întăresc reciproc, producând rezonanță. După atingerea unei anumite intensități, acesta este transmis prin oglinda parțială M2, formând un fascicul laser drept. Când este atins echilibrul, energia amplificată de emisia de lumină stimulată în timpul fiecărei călătorii dus-întors în cavitatea rezonantă anulează exact energia consumată, moment în care laserul menține o ieșire stabilă.
Figura 3-5 Diagrama schematică a laserului
3) Condiția de rezonanță și frecvența de rezonanță a unei cavități de rezonanță optică. Fie lungimea cavității rezonante L, atunci condiția de rezonanță a cavității rezonante este:
În formula, c este viteza luminii în vid; λ este lungimea de undă a laserului; n este indicele de refracție al materialului de activare; L este lungimea cavității cavității rezonante optice; și este numărul modului longitudinal,=1, 2, 3.
Cavitatea rezonantă oferă feedback pozitiv numai la lungimea de undă a ecuației de satisfacere a undei luminoase (3-1) sau frecvența ecuației de satisfacție a undei de lumină (3-2), determinându-le să se întărească reciproc în interiorul cavității și să rezoneze pentru a forma lumină laser.
Deoarece lumina cu emisie stimulată formează doar unde staționare de-a lungul axei cavității (direcția longitudinală), acestea se numesc moduri longitudinale (moduri diferite corespund unor distribuții diferite de câmp).
4) Condiție de prag pentru oscilație. Limita minimă de câștig la care un laser poate produce oscilații laser se numește condiția de prag a laserului (cavitatea F-P are pierderi, iar reflexia și refracția luminii din oglinzi consumă, de asemenea, continuu fotoni). Dacă Gu reprezintă coeficientul de câștig de prag, atunci condiția de prag pentru oscilație este:
În formulă, este coeficientul de pierdere al materialului activ în cavitatea rezonantă optică; L este lungimea cavității cavității rezonante optice; și și sunt coeficienții de reflexie ai celor două oglinzi ale cavității rezonante optice.
