A fényforrások lehetővé teszik az elektromos jelek átalakításátoptikai jelekés az optikai adók és a száloptikai kommunikációs rendszerek alapvető alkotóelemei. Teljesítményük közvetlenül befolyásolja az optikai kommunikációs rendszer teljesítményét és minőségi mutatóit. Ez a rész elsősorban kétféle fényforrás felépítését, működési elvét és kapcsolódó jellemzőit mutatja be: a lézerdiódák (LD-k, más néven lézerek) és a fény{2}}kibocsátó diódák (LED-ek), és megadja műszaki specifikációikat.
A lézerekkel kapcsolatos számos fizikai fogalom
A fotonok fogalma
Einstein fénykvantumelmélete szerint a fény energiával rendelkező fotonokból állHF, ahol h=6.628 × 10⁻13J·s, Planck-állandóként ismert, f pedig a fényhullám frekvenciája. Ezeket a fotonokat fotonoknak nevezzük.
Amikor a fény kölcsönhatásba lép az anyaggal, a foton energiája teljes egészében elnyelődik vagy kibocsátódik, ami megalapozza a fény hullám{0}}részecske-kettősségének elméletét.
Atomenergia szint
A félvezető kristályokban az atommagokon kívüli elektronok pályái a szomszédos atomok közös mozgása miatt különböző mértékben átfedik egymást. Ahogy a 3-1. ábrán látható, a kristály energiaszintjei már nem tartoznak egyetlen atomhoz sem; szélesebb területen mozoghatnak, akár az egész kristályon keresztül is. Más szóval, az eredeti energiaszintek energiasávokká alakultak. A legkülső energiaszintek által alkotott energiasávot vezetési sávnak, a belső energiasávokat vegyértéksávnak nevezzük. A köztük lévő intervallumokban nem léteznek elektronok; ezt az intervallumot sávrésnek nevezzük.
3-1 ábra Energiaszintek egy kristályban
A fény és az anyag közötti kölcsönhatás három módja
A fény és az anyag közötti kölcsönhatás a fény és az atomok közötti kölcsönhatásra redukálható, beleértve három fizikai folyamatot: stimulált abszorpciót, spontán emissziót és stimulált emissziót. E három interakciós mód energiaszintjeit és elektronikus átmeneteit a 3-2. ábra mutatja.
3-2. ábra Energiaszintek és elektronátmenetek a fény és az anyag közötti kölcsönhatás három módjában.
1) Normál körülmények között az elektronok általában alacsony E energiaszinten vannaka. A beeső fény hatására az elektronok elnyelik a foton energiáját és átmennek egy magas E energiaszintre2, fotoáramot generál. Ezt az átmenetet stimulált abszorpciónak nevezik. Ez a fotodetektor működési elve.
2) Elektronok a magas E energiaszintben2instabilok. Még külső erő nélkül is spontán átmennek az alacsony E energiaszintrea, lyukakkal egyesülnek, és kifelé sugárzó fotonokká alakított energiát bocsátanak ki. Ezt az átmenetet spontán emissziónak nevezzük. Ez a világító{2}}dióda (LED) működési elve. A spontán kibocsátott fény inkoherens fény.
3) Amikor egy elektron a nagy energiaszintű Eah energiájú külső foton gerjesztif, kénytelen átállni az alacsony energiaszintre Ea, lyukakkal rekombinálódnak, és egyidejűleg a gerjesztő fényével megegyező frekvenciájú, fázisú és irányú fotont bocsátanak ki (azonos fotonnak nevezik).
Mivel ez a folyamat egy külső foton gerjesztése alatt jön létre, ezt az átmenetet stimulált emissziónak nevezik. Ez a lézer működési elve. A stimulált emissziós fény koherens fény.
Populáció inverzió és fényerősítés
A stimulált emisszió kulcsfontosságú a lézergeneráláshoz. Legyen a részecskesűrűség az alsó energiaszinten N, a részecskesűrűség pedig a magasabb energiaszinten N². Normál körülmények között N > N², ami azt jelenti, hogy a stimulált abszorpció mindig meghaladja a stimulált emissziót; vagyis termikus egyensúly mellett az anyag nem tudja felerősíteni a fényt.
Ahhoz, hogy az anyag felerősítse a fényt, a stimulált emissziónak meg kell haladnia a stimulált abszorpciót, még akkor is, ha N² > N (az elektronok száma magasabb energiaszinteken nagyobb, mint az alacsonyabb energiaszinteken lévő elektronok száma). A részecskeszámoknak ezt az abnormális eloszlását populációinverziónak nevezzük.
A populáció inverziója az elsődleges feltétele annak, hogy egy anyag fényerősítést hozzon létre és fényt bocsátson ki.
Közvetlen sávszélességű és indirekt sávszélességű félvezetők
A stimulált fénykibocsátásnál az energiát és a lendületet meg kell őrizni. A sávrés alakja a lendülethez kapcsolódik; a sávrés alakja alapján a félvezetőket direkt sávszélességű és közvetett sávszélességű típusokra oszthatjuk fel, a 3. ábra szerint-3. A közvetlen sávszélességű félvezetőkben a vezetési sáv minimális energiaszintje és a vegyértéksáv maximális energiaszintje azonos impulzussal rendelkezik, és az elektronok függőlegesen átmennek, ami magas fényhatékonyságot eredményez, amint az a 3-3a ábrán látható. A közvetett sávszélességű félvezetőkben más részecskéknek is részt kell venniük az elektronátmenetek lendületének megőrzéséhez, amint az a 3-3b. ábrán látható. Csak közvetlen sávszélességű félvezető anyagok használhatók fénykibocsátó eszközök gyártására; ezek az anyagok közé tartozik a GaAs, AlGaAs, InP és InGaAsP.
3-3. ábra Közvetlen sávszélességű és indirekt sávszélességű félvezetők
Lézer elve
A félvezető lézer olyan lézer, amely félvezető anyagokat használ aktív közegként; félvezetőlézeres önoszcillátornak is nevezik{0}}.
Ahhoz, hogy a lézer lézerfényt bocsáthasson ki, a következő három feltételnek kell teljesülnie: léteznie kell egy működő anyagnak (aktiváló anyagnak is nevezik), amely képes lézerfényt generálni; léteznie kell egy gerjesztőforrásnak (amit pumpás forrásnak is neveznek), amely képes a munkaanyagot populációinverziós állapotba hozni; és lennie kell egy olyan optikai rezonátornak, amely képes frekvenciaválasztást és visszacsatolást végezni.
(1) A lézerfény előállítására képes munkaanyag az az anyag, amely populációinverziós eloszlást képes elérni. Az aktivált anyagot aktiváló anyagnak vagy nyersanyagnak nevezik, és ez a lézergenerálás szükséges feltétele.
(2) A szivattyúforrás egy külső gerjesztési forrás, amely a munkaanyagot populációinverziós eloszlás elérésére készteti. A szivattyúforrás hatására Ni> Ni, ami nagyobb stimulált emissziót eredményez, mint a stimulált abszorpció, így erősíti a fényt.
(3) Az optikai rezonátor: Az aktiváló anyag csak a fényt képes felerősíteni. Folyamatos fényerősítést és lézeroszcillációs kimenetet csak az aktiváló anyag optikai rezonátorba helyezésével lehet elérni, amely biztosítja a szükséges visszacsatolást és a fény frekvenciáját és irányát. Az aktiváló anyag és az optikai rezonátor szükséges feltétele a lézeroszcilláció létrehozásának.
1) Optikai rezonáns üreg felépítése. Az optikai rezonáns üreg szerkezetét a 3-4. ábra mutatja. Ha két párhuzamos tükröt, az M1 és M2, az r1 és r2 reflexiós együtthatójú tükröt az aktiváló anyag mindkét végén megfelelő helyre helyezzük, a legegyszerűbb optikai rezonáns üreg jön létre, amelyet Fabry-Perot-üregnek vagy FP-üregnek is neveznek.
Ha a tükrök síktükrök, akkor síküregnek nevezzük; ha a tükrök gömbtükrök, akkor azt gömbüregnek nevezzük. A két tükör közül az egyiknek teljesen, a másiknak részlegesen kell visszavernie a fényt.
3-4. ábra Optikai rezonáns üreg felépítése
2) A lézergenerálás oszcillációs folyamata rezonáns üregben. A lézer sematikus diagramja a 3-5. ábrán látható. Amikor a munkaközeg eléri a populáció inverzióját a szivattyúforrás hatására, spontán emisszió keletkezik. Ha a spontán emisszió iránya nem párhuzamos az optikai rezonáns üreg tengelyével, akkor az visszaverődik a rezonáns üregből. Csak a rezonáns üreg tengelyével párhuzamos spontán emisszió létezhet és folytatódhat előre. Amikor magasabb energiaszintű részecskével találkozik, az stimulált átmenetet indukál, és egy azonos fotont bocsát ki a magasabb energiaszintről az alacsonyabb energiaszintre való átmenet során – ez stimulált emisszió. Ha a stimulált emissziós fény egyszer visszaverődik a rezonáns üregben, és a fázisváltozás pontosan 2π egész számú többszöröse, akkor több, ugyanabban az irányban terjedő stimulált emissziós fény erősíti egymást, rezonanciát keltve. Egy bizonyos intenzitás elérése után az M2 résztükrön keresztül továbbítódik, egyenes lézersugarat képezve. Az egyensúly elérésekor a stimulált emissziós fény által felerősített energia a rezonáns üregen belüli minden oda-vissza út során pontosan kioltja az elfogyasztott energiát, ekkor a lézer stabil teljesítményt tart fenn.
3-5 ábra A lézer sematikus diagramja
3) Az optikai rezonancia üreg rezonancia állapota és rezonancia frekvenciája. Legyen a rezonáns üreg hossza L, akkor a rezonáns üreg rezonanciafeltétele:
A képletben c a fény sebessége vákuumban; λ a lézer hullámhossza; n az aktiváló anyag törésmutatója; L az optikai rezonáns üreg üreghossza; és a longitudinális módszám,=1, 2, 3.
A rezonáns üreg csak a fényhullámot kielégítő (3-1) egyenlet hullámhosszára vagy a (3-2) fényhullámot kielégítő egyenlet frekvenciájára ad pozitív visszacsatolást, amitől ezek az üregen belül egymást erősítik, és rezonálva lézerfényt képeznek.
Mivel a stimulált emissziós fény csak állóhullámokat képez az üreg tengelye mentén (hosszirányú irány), ezeket longitudinális módoknak nevezzük (a különböző módok különböző téreloszlásoknak felelnek meg).
4) Az oszcilláció küszöbfeltétele. Azt a minimális erősítési határt, amelynél a lézer képes lézerrezgációt előidézni, a lézer küszöbfeltételének nevezzük (az F-P üreg veszteséges, és a tükrök fényvisszaverődése és fénytörése is folyamatosan fotonokat fogyaszt). Ha Gu képviseli a küszöberősítési együtthatót, akkor az oszcilláció küszöbfeltétele:
A képletben az aktív anyag veszteségi együtthatója az optikai rezonáns üregben; L az optikai rezonáns üreg üreghossza; és és az optikai rezonáns üreg két tükrének reflexiós együtthatói.