Οι πηγές φωτός επιτρέπουν τη μετατροπή από ηλεκτρικά σήματα σεοπτικά σήματακαι αποτελούν βασικά στοιχεία των οπτικών πομπών και των συστημάτων επικοινωνίας οπτικών ινών. Η απόδοσή τους επηρεάζει άμεσα τους δείκτες απόδοσης και ποιότητας του συστήματος επικοινωνίας οπτικών ινών. Αυτή η ενότητα εισάγει κυρίως τη δομή, την αρχή λειτουργίας και τα σχετικά χαρακτηριστικά δύο τύπων πηγών φωτός: των διόδων λέιζερ (LDs, γνωστές και ως λέιζερ) και των διόδων εκπομπής φωτός (LED) και παρέχει τις τεχνικές προδιαγραφές τους.
Διάφορες φυσικές έννοιες που σχετίζονται με τα λέιζερ
Η έννοια των φωτονίων
Η κβαντική θεωρία του Αϊνστάιν για το φως δηλώνει ότι το φως αποτελείται από φωτόνια με ενέργειαhf, όπου h=6.628 × 10⁻13J·s, γνωστή ως σταθερά του Planck, και f είναι η συχνότητα του φωτεινού κύματος. Αυτά τα φωτόνια ονομάζονται φωτόνια.
Όταν το φως αλληλεπιδρά με την ύλη, η ενέργεια του φωτονίου απορροφάται ή εκπέμπεται ως σύνολο, καθιερώνοντας την κυματική-θεωρία δυαδικότητας των σωματιδίων του φωτός.
Επίπεδο ατομικής ενέργειας
Στους κρυστάλλους ημιαγωγών, οι τροχιές των ηλεκτρονίων έξω από τους ατομικούς πυρήνες επικαλύπτονται σε διάφορους βαθμούς λόγω της κοινής κίνησης των γειτονικών ατόμων. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3-1, τα επίπεδα ενέργειας στον κρύσταλλο δεν ανήκουν πλέον σε κανένα μεμονωμένο άτομο. μπορούν να κινηθούν σε μια ευρύτερη περιοχή, ακόμη και σε ολόκληρο τον κρύσταλλο. Με άλλα λόγια, τα αρχικά επίπεδα ενέργειας έχουν μετατραπεί σε ενεργειακές ζώνες. Η ενεργειακή ζώνη που σχηματίζεται από τα εξώτατα επίπεδα ενέργειας ονομάζεται ζώνη αγωγιμότητας και οι εσωτερικές ενεργειακές ζώνες ονομάζονται ζώνη σθένους. Δεν υπάρχουν ηλεκτρόνια στα διαστήματα μεταξύ τους. αυτό το διάστημα ονομάζεται διάκενο ζώνης.
Εικόνα 3-1 Επίπεδα ενέργειας σε έναν κρύσταλλο
Τρεις τρόποι αλληλεπίδρασης φωτός και ύλης
Η αλληλεπίδραση μεταξύ φωτός και ύλης μπορεί να περιοριστεί στην αλληλεπίδραση μεταξύ φωτός και ατόμων, συμπεριλαμβανομένων τριών φυσικών διεργασιών: διεγερμένης απορρόφησης, αυθόρμητης εκπομπής και διεγερμένης εκπομπής. Τα επίπεδα ενέργειας και οι ηλεκτρονικές μεταβάσεις αυτών των τριών τρόπων αλληλεπίδρασης φαίνονται στο Σχήμα 3-2.
Σχήμα 3-2 Επίπεδα ενέργειας και ηλεκτρονικές μεταβάσεις σε τρεις τρόπους αλληλεπίδρασης μεταξύ φωτός και ύλης.
1) Υπό κανονικές συνθήκες, τα ηλεκτρόνια βρίσκονται συνήθως σε χαμηλό ενεργειακό επίπεδο Εa. Υπό την επίδραση του προσπίπτοντος φωτός, τα ηλεκτρόνια απορροφούν την ενέργεια του φωτονίου και μεταβαίνουν σε ένα υψηλό ενεργειακό επίπεδο Ε2, δημιουργώντας φωτορεύμα. Αυτή η μετάβαση ονομάζεται διεγερμένη απορρόφηση. Αυτή είναι η αρχή λειτουργίας ενός φωτοανιχνευτή.
2) Ηλεκτρόνια στο υψηλό ενεργειακό επίπεδο Ε2είναι ασταθείς. Ακόμη και χωρίς εξωτερική δύναμη, θα μεταβούν αυθόρμητα στο χαμηλό ενεργειακό επίπεδο Εa, ανασυνδυάζονται με τρύπες και απελευθερώνουν ενέργεια που μετατρέπεται σε φωτόνια που ακτινοβολούνται προς τα έξω. Αυτή η μετάβαση ονομάζεται αυθόρμητη εκπομπή. Αυτή είναι η αρχή λειτουργίας μιας διόδου εκπομπής φωτός (LED). Το φως που εκπέμπεται αυθόρμητα είναι ασυνάρτητο φως.
3) Όταν ένα ηλεκτρόνιο στο υψηλό ενεργειακό επίπεδο Εaδιεγείρεται από εξωτερικό φωτόνιο με ενέργεια hf, αναγκάζεται να μεταβεί στο χαμηλό ενεργειακό επίπεδο Εa, ανασυνδυάζεται με οπές και ταυτόχρονα απελευθερώνει ένα φωτόνιο με την ίδια συχνότητα, φάση και κατεύθυνση με το φως διέγερσης (που ονομάζεται πανομοιότυπο φωτόνιο).
Δεδομένου ότι αυτή η διαδικασία δημιουργείται υπό τη διέγερση ενός εξωτερικού φωτονίου, αυτή η μετάβαση ονομάζεται διεγερμένη εκπομπή. Αυτή είναι η αρχή λειτουργίας ενός λέιζερ. Το διεγερμένο φως εκπομπής είναι συνεκτικό φως.
Αναστροφή πληθυσμού και ενίσχυση φωτός
Η διεγερμένη εκπομπή είναι το κλειδί για την παραγωγή λέιζερ. Έστω η πυκνότητα σωματιδίων στο χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο N και η πυκνότητα σωματιδίων στο υψηλότερο επίπεδο ενέργειας είναι N2. Υπό κανονικές συνθήκες, N > N², που σημαίνει ότι η διεγερμένη απορρόφηση υπερβαίνει πάντα την διεγερμένη εκπομπή. Δηλαδή, υπό θερμική ισορροπία, η ύλη δεν μπορεί να ενισχύσει το φως.
Για να ενισχύσει η ύλη το φως, η διεγερμένη εκπομπή πρέπει να υπερβαίνει την διεγερμένη απορρόφηση, ακόμα και αν N² > N (ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε υψηλότερα ενεργειακά επίπεδα είναι μεγαλύτερος από τον αριθμό στα χαμηλότερα ενεργειακά επίπεδα). Αυτή η ανώμαλη κατανομή των αριθμών των σωματιδίων ονομάζεται αντιστροφή πληθυσμού.
Η αντιστροφή πληθυσμού είναι η πρωταρχική προϋπόθεση για να παράγει μια ουσία ενίσχυση φωτός και να εκπέμπει φως.
Ημιαγωγοί με άμεσο διάκενο και έμμεσο διάκενο ζώνης
Σε διεγερμένη εκπομπή φωτός, η ενέργεια και η ορμή πρέπει να διατηρηθούν. Το σχήμα του κενού ζώνης σχετίζεται με την ορμή. Με βάση το σχήμα του κενού ζώνης, οι ημιαγωγοί μπορούν να χωριστούν σε τύπους άμεσου κενού ζώνης και έμμεσους τύπους κενού ζώνης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3-3. Στους ημιαγωγούς άμεσου κενού ζώνης, το ελάχιστο επίπεδο ενέργειας της ζώνης αγωγιμότητας και το μέγιστο επίπεδο ενέργειας της ζώνης σθένους έχουν την ίδια ορμή και τα ηλεκτρόνια μεταβάλλονται κατακόρυφα, με αποτέλεσμα υψηλή φωτεινή απόδοση, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3-3α. Στους ημιαγωγούς έμμεσου κενού ζώνης, πρέπει να συμμετέχουν και άλλα σωματίδια για να διατηρηθεί η διατήρηση της ορμής για μεταπτώσεις ηλεκτρονίων, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3-3β. Μόνο υλικά ημιαγωγών απευθείας διάκενου ζώνης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή συσκευών εκπομπής φωτός. Αυτά τα υλικά περιλαμβάνουν τα GaAs, AlGaAs, InP και InGaAsP.
Σχήμα 3-3 Ημιαγωγοί άμεσης ζώνης και έμμεσο διάκενο ζώνης
Αρχή λέιζερ
Ένα λέιζερ ημιαγωγών είναι ένα λέιζερ που χρησιμοποιεί υλικά ημιαγωγών ως ενεργό μέσο. ονομάζεται επίσης αυτοταλαντωτής λέιζερ ημιαγωγών-.
Προκειμένου ένα λέιζερ να εκπέμπει φως λέιζερ, πρέπει να πληρούνται οι ακόλουθες τρεις προϋποθέσεις: πρέπει να υπάρχει μια λειτουργική ουσία (που ονομάζεται επίσης ενεργοποιητική ουσία) ικανή να παράγει φως λέιζερ. πρέπει να υπάρχει μια πηγή διέγερσης (που ονομάζεται επίσης πηγή αντλίας) ικανή να φέρει την ουσία εργασίας σε κατάσταση αναστροφής πληθυσμού. και πρέπει να υπάρχει ένας οπτικός συντονιστής ικανός να εκτελεί επιλογή συχνότητας και ανάδραση.
(1) Η ουσία εργασίας που μπορεί να παράγει φως λέιζερ είναι η ουσία που μπορεί να επιτύχει κατανομή αντιστροφής πληθυσμού. Μόλις ενεργοποιηθεί, η δραστική ουσία ονομάζεται ουσία ενεργοποίησης ή ουσία κέρδους και είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την παραγωγή λέιζερ.
(2) Η πηγή της αντλίας είναι μια εξωτερική πηγή διέγερσης που προκαλεί τη λειτουργική ουσία να επιτύχει κατανομή αντιστροφής πληθυσμού. Κάτω από τη δράση της πηγής αντλίας, ο Νi> Νi, με αποτέλεσμα διεγερμένη εκπομπή μεγαλύτερη από την διεγερμένη απορρόφηση, ενισχύοντας έτσι το φως.
(3) Ο οπτικός συντονιστής: Η ενεργοποιητική ουσία μπορεί μόνο να ενισχύσει το φως. Μόνο με την τοποθέτηση της ενεργοποιητικής ουσίας σε έναν οπτικό συντονιστή για την παροχή της απαραίτητης ανάδρασης και την επιλογή της συχνότητας και της κατεύθυνσης του φωτός, μπορεί να επιτευχθεί συνεχής ενίσχυση φωτός και έξοδος ταλάντωσης λέιζερ. Η ενεργοποιητική ουσία και ο οπτικός συντονιστής είναι απαραίτητες προϋποθέσεις για τη δημιουργία ταλάντωσης λέιζερ.
1) Δομή κοιλότητας οπτικού συντονισμού. Η δομή μιας κοιλότητας οπτικού συντονισμού φαίνεται στο Σχήμα 3-4. Με την τοποθέτηση δύο παράλληλων κατόπτρων, M1 και M2, με συντελεστές ανάκλασης r1 και r2 αντίστοιχα, σε κατάλληλες θέσεις και στα δύο άκρα του υλικού ενεργοποίησης, σχηματίζεται η απλούστερη κοιλότητα οπτικού συντονισμού, που ονομάζεται επίσης κοιλότητα Fabry-Perot ή κοιλότητα FP.
Εάν τα κάτοπτρα είναι επίπεδα κάτοπτρα, ονομάζεται επίπεδη κοιλότητα. αν τα κάτοπτρα είναι σφαιρικά κάτοπτρα, ονομάζεται σφαιρική κοιλότητα. Από τους δύο καθρέφτες, ο ένας πρέπει να μπορεί να αντανακλά πλήρως το φως και ο άλλος να μπορεί να ανακλά μερικώς.
Εικόνα 3-4 Δομή κοιλότητας οπτικού συντονισμού
2) Η διαδικασία ταλάντωσης παραγωγής λέιζερ σε κοιλότητα συντονισμού. Ένα σχηματικό διάγραμμα ενός λέιζερ φαίνεται στο Σχήμα 3-5. Όταν το μέσο εργασίας επιτυγχάνει αναστροφή πληθυσμού υπό τη δράση της πηγής αντλίας, δημιουργείται αυθόρμητη εκπομπή. Εάν η κατεύθυνση της αυθόρμητης εκπομπής δεν είναι παράλληλη με τον άξονα της κοιλότητας του οπτικού συντονισμού, αντανακλάται έξω από την κοιλότητα συντονισμού. Μόνο αυθόρμητη εκπομπή παράλληλη προς τον άξονα της κοιλότητας συντονισμού μπορεί να υπάρξει και να συνεχιστεί προς τα εμπρός. Όταν συναντά ένα σωματίδιο σε υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο, προκαλεί μια διεγερμένη μετάβαση, εκπέμποντας ένα πανομοιότυπο φωτόνιο κατά τη μετάβαση από το υψηλότερο επίπεδο ενέργειας στο χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο - αυτό είναι διεγερμένη εκπομπή. Όταν το διεγερμένο φως εκπομπής ανακλάται εμπρός και πίσω μία φορά μέσα στην κοιλότητα συντονισμού και η αλλαγή φάσης είναι ακριβώς ένα ακέραιο πολλαπλάσιο του 2π, πολλά διεγερμένα φώτα εκπομπής που διαδίδονται προς την ίδια κατεύθυνση ενισχύουν το ένα το άλλο, παράγοντας συντονισμό. Αφού φτάσει σε μια ορισμένη ένταση, μεταδίδεται μέσω του μερικού καθρέφτη Μ2, σχηματίζοντας μια ευθεία δέσμη λέιζερ. Όταν επιτευχθεί η ισορροπία, η ενέργεια που ενισχύεται από το διεγερμένο φως εκπομπής κατά τη διάρκεια κάθε διαδρομής μετ' επιστροφής εντός της κοιλότητας συντονισμού ακυρώνει ακριβώς την ενέργεια που καταναλώνεται, οπότε το λέιζερ διατηρεί σταθερή έξοδο.
Εικόνα 3-5 Σχηματικό διάγραμμα λέιζερ
3) Συνθήκη συντονισμού και συχνότητα συντονισμού κοιλότητας οπτικού συντονισμού. Έστω το μήκος της κοιλότητας συντονισμού L, τότε η συνθήκη συντονισμού της κοιλότητας συντονισμού είναι:
Στον τύπο, c είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό. λ είναι το μήκος κύματος του λέιζερ. n είναι ο δείκτης διάθλασης του υλικού ενεργοποίησης. L είναι το μήκος της κοιλότητας της κοιλότητας οπτικού συντονισμού. και είναι ο αριθμός διαμήκους λειτουργίας,=1, 2, 3.
Η κοιλότητα συντονισμού παρέχει θετική ανάδραση μόνο στο μήκος κύματος της εξίσωσης που ικανοποιεί το κύμα φωτός (3-1) ή τη συχνότητα της εξίσωσης που ικανοποιεί το κύμα φωτός (3-2), αναγκάζοντάς τα να ενισχύονται μεταξύ τους εντός της κοιλότητας και να συντονίζονται για να σχηματίσουν φως λέιζερ.
Εφόσον το διεγερμένο φως εκπομπής σχηματίζει μόνο στάσιμα κύματα κατά μήκος του άξονα της κοιλότητας (διαμήκης διεύθυνση), αυτά ονομάζονται διαμήκεις λειτουργίες (οι διαφορετικοί τρόποι αντιστοιχούν σε διαφορετικές κατανομές πεδίου).
4) Συνθήκη κατωφλίου για ταλάντωση. Το ελάχιστο όριο απολαβής στο οποίο ένα λέιζερ μπορεί να παράγει ταλάντωση λέιζερ ονομάζεται συνθήκη κατωφλίου του λέιζερ (η κοιλότητα F{2}} έχει απώλειες και η ανάκλαση και η διάθλαση του φωτός από τους καθρέφτες καταναλώνουν επίσης συνεχώς φωτόνια). Εάν το Gu αντιπροσωπεύει τον συντελεστή απολαβής κατωφλίου, τότε η συνθήκη κατωφλίου για την ταλάντωση είναι:
Στον τύπο, είναι ο συντελεστής απώλειας του ενεργού υλικού στην κοιλότητα οπτικού συντονισμού. L είναι το μήκος της κοιλότητας της κοιλότητας οπτικού συντονισμού. και και είναι οι συντελεστές ανάκλασης των δύο κατόπτρων της κοιλότητας οπτικού συντονισμού.
