Gaismas avoti ļauj pārveidot elektriskos signālus uzoptiskie signāliun ir optisko raidītāju un optisko šķiedru sakaru sistēmu galvenie komponenti. To veiktspēja tieši ietekmē optiskās šķiedras sakaru sistēmas veiktspējas un kvalitātes rādītājus. Šī sadaļa galvenokārt iepazīstina ar divu veidu gaismas avotu struktūru, darbības principu un saistītajiem raksturlielumiem: lāzerdiodēm (LD, kas pazīstamas arī kā lāzeri) un gaismas -izstarojošajām diodēm (LED), kā arī sniedz to tehniskās specifikācijas.
Vairāki fizikāli jēdzieni, kas saistīti ar lāzeriem
Fotonu jēdziens
Einšteina gaismas kvantu teorija apgalvo, ka gaisma sastāv no fotoniem ar enerģijuhf, kur h=6.628 × 10⁻13J·s, kas pazīstams kā Planka konstante, un f ir gaismas viļņa frekvence. Šos fotonus sauc par fotoniem.
Kad gaisma mijiedarbojas ar vielu, fotona enerģija tiek absorbēta vai izstarota kopumā, izveidojot gaismas viļņu-daļiņu dualitātes teoriju.
Atomu enerģijas līmenis
Pusvadītāju kristālos elektronu orbītas ārpus atomu kodoliem dažādās pakāpēs pārklājas blakus esošo atomu kopīgās kustības dēļ. Kā parādīts 3-1. attēlā, enerģijas līmeņi kristālā vairs nepieder nevienam atsevišķam atomam; tie var pārvietoties plašākā apgabalā, pat pa visu kristālu. Citiem vārdiem sakot, sākotnējie enerģijas līmeņi ir pārveidoti enerģijas joslās. Enerģijas joslu, ko veido visattālākie enerģijas līmeņi, sauc par vadīšanas joslu, un iekšējās enerģijas joslas sauc par valences joslu. Intervālos starp tiem nav elektronu; šo intervālu sauc par joslas spraugu.
Attēls 3-1 Enerģijas līmeņi kristālā
Trīs gaismas un matērijas mijiedarbības veidi
Gaismas un matērijas mijiedarbību var reducēt līdz gaismas un atomu mijiedarbībai, tostarp trīs fizikāliem procesiem: stimulēta absorbcija, spontāna emisija un stimulēta emisija. Šo trīs mijiedarbības režīmu enerģijas līmeņi un elektroniskās pārejas ir parādītas 3-2. attēlā.
Attēls 3-2 Enerģijas līmeņi un elektroniskās pārejas trīs gaismas un matērijas mijiedarbības režīmos.
1) Normālos apstākļos elektroni parasti atrodas zemā enerģijas līmenī Ea. Krītošās gaismas ietekmē elektroni absorbē fotona enerģiju un pāriet uz augstu enerģijas līmeni E2, ģenerējot fotostrāvu. Šo pāreju sauc par stimulētu absorbciju. Tas ir fotodetektora darbības princips.
2) Elektroni augstā enerģijas līmenī E2ir nestabili. Pat bez ārēja spēka tie spontāni pāriet uz zemu enerģijas līmeni Ea, rekombinējas ar caurumiem un atbrīvo enerģiju, kas pārvērsta fotonos, kas tiek izstaroti uz āru. Šo pāreju sauc par spontānu emisiju. Šis ir gaismas -diodes (LED) darbības princips. Spontāni izstarotā gaisma ir nesakarīga gaisma.
3) Kad elektrons augstā enerģijas līmenī Eatiek ierosināts ar ārēju fotonu ar enerģiju hf, tas ir spiests pāriet uz zemu enerģijas līmeni Ea, rekombinējas ar caurumiem un vienlaikus atbrīvo fotonu ar tādu pašu frekvenci, fāzi un virzienu kā ierosmes gaismai (ko sauc par identisku fotonu).
Tā kā šo procesu ģenerē ārēja fotona ierosme, šo pāreju sauc par stimulētu emisiju. Tas ir lāzera darbības princips. Stimulētās emisijas gaisma ir koherenta gaisma.
Populācijas inversija un gaismas pastiprināšana
Stimulētā emisija ir lāzera ģenerēšanas atslēga. Lai daļiņu blīvums zemākā enerģijas līmenī ir N, un daļiņu blīvums augstākā enerģijas līmenī ir N². Normālos apstākļos N > N², kas nozīmē, ka stimulētā absorbcija vienmēr pārsniedz stimulēto emisiju; tas ir, termiskā līdzsvara apstākļos matērija nevar pastiprināt gaismu.
Lai viela pastiprinātu gaismu, stimulētajai emisijai ir jāpārsniedz stimulētā absorbcija, pat ja N² > N (elektronu skaits augstākos enerģijas līmeņos ir lielāks nekā skaits zemākos enerģijas līmeņos). Šo neparasto daļiņu skaita sadalījumu sauc par populācijas inversiju.
Populācijas inversija ir primārais nosacījums, lai viela radītu gaismas pastiprināšanu un izstaro gaismu.
Tiešās joslas spraugas un netiešās joslas pusvadītāji
Stimulētajā gaismas emisijā jāsaglabā enerģija un impulss. Joslas spraugas forma ir saistīta ar impulsu; pamatojoties uz joslas spraugas formu, pusvadītājus var iedalīt tiešās joslas spraugas un netiešās joslas spraugas tipos, kā parādīts 3. attēlā-3. Tiešās joslas spraugas pusvadītājos vadīšanas joslas minimālajam enerģijas līmenim un valences joslas maksimālajam enerģijas līmenim ir vienāds impulss, un elektroni pāriet vertikāli, kā rezultātā ir augsta gaismas efektivitāte, kā parādīts 3-3a attēlā. Netiešā joslas spraugas pusvadītājos, lai saglabātu impulsa saglabāšanu elektronu pārejām, ir jāpiedalās citām daļiņām, kā parādīts 3-3b attēlā. Gaismu izstarojošu ierīču izgatavošanai var izmantot tikai tiešās joslas spraugas pusvadītāju materiālus; šie materiāli ietver GaAs, AlGaAs, InP un InGaAsP.
Attēls 3-3 Tiešās joslas spraugas un netiešās joslas pusvadītāji
Lāzera princips
Pusvadītāju lāzers ir lāzers, kas kā aktīvo vidi izmanto pusvadītāju materiālus; to sauc arī par pusvadītāju lāzera paš-oscilatoru.
Lai lāzers izstaro lāzera gaismu, ir jāievēro šādi trīs nosacījumi: jābūt darba vielai (ko sauc arī par aktivējošo vielu), kas spēj radīt lāzera gaismu; jābūt ierosmes avotam (sauktam arī par sūkņa avotu), kas spēj nodot darba vielu populācijas inversijas stāvoklī; un jābūt optiskajam rezonatoram, kas spēj veikt frekvences izvēli un atgriezenisko saiti.
(1) Darba viela, kas spēj radīt lāzera gaismu, ir viela, kas var sasniegt populācijas inversijas sadalījumu. Pēc aktivizēšanas darba vielu sauc par aktivējošo vielu vai ieguves vielu, un tas ir nepieciešams nosacījums lāzera ģenerēšanai.
(2) Sūkņa avots ir ārējs ierosmes avots, kas liek darba vielai sasniegt populācijas inversijas sadalījumu. Sūkņa avota iedarbībā Ni> Ni, kā rezultātā stimulētā emisija ir lielāka par stimulēto absorbciju, tādējādi pastiprinot gaismu.
(3) Optiskais rezonators: aktivējošā viela var tikai pastiprināt gaismu. Tikai ievietojot aktivējošo vielu optiskajā rezonatorā, lai nodrošinātu nepieciešamo atgriezenisko saiti un izvēlētos gaismas frekvenci un virzienu, var iegūt nepārtrauktu gaismas pastiprināšanu un lāzera svārstību izvadi. Aktivizējošā viela un optiskais rezonators ir nepieciešami nosacījumi lāzera svārstību ģenerēšanai.
1) Optiskās rezonanses dobuma uzbūve. Optiskās rezonanses dobuma struktūra ir parādīta 3. attēlā-4. Novietojot divus paralēlus spoguļus M1 un M2 ar attiecīgi atstarošanas koeficientiem r1 un r2, atbilstošās pozīcijās abos aktivējošā materiāla galos, tiek izveidots vienkāršākais optiskās rezonanses dobums, ko sauc arī par Fabri-Pero dobumu vai FP dobumu.
Ja spoguļi ir plakni spoguļi, to sauc par plaknes dobumu; ja spoguļi ir sfēriski spoguļi, to sauc par sfērisku dobumu. No diviem spoguļiem vienam ir jāspēj pilnībā atstarot gaismu, bet otram - daļēji.
Attēls 3-4 Optiskās rezonanses dobuma struktūra
2) Lāzera ģenerēšanas svārstību process rezonanses dobumā. Lāzera shematiska diagramma ir parādīta 3. attēlā-5. Kad darba vide sasniedz populācijas inversiju sūkņa avota iedarbībā, rodas spontāna emisija. Ja spontānās emisijas virziens nav paralēls optiskās rezonanses dobuma asij, tas tiek atstarots no rezonanses dobuma. Var pastāvēt un turpināties tikai spontāna emisija, kas ir paralēla rezonanses dobuma asij. Kad tā sastopas ar daļiņu augstākā enerģijas līmenī, tā izraisa stimulētu pāreju, izstaro identisku fotonu pārejā no augstāka enerģijas līmeņa uz zemāku enerģijas līmeni – tā ir stimulēta emisija. Kad stimulētā emisijas gaisma vienu reizi atstarojas uz priekšu un atpakaļ rezonanses dobumā un fāzes maiņa ir tieši 2π vesels skaitlis, vairākas stimulētās emisijas gaismas, kas izplatās vienā virzienā, pastiprina viena otru, radot rezonansi. Pēc noteiktas intensitātes sasniegšanas tas tiek pārraidīts caur daļēju spoguli M2, veidojot taisnu lāzera staru. Kad tiek sasniegts līdzsvars, enerģija, ko pastiprina stimulētās emisijas gaisma katrā rezonanses dobumā turp un atpakaļ, precīzi atceļ patērēto enerģiju, un šajā brīdī lāzers uztur stabilu jaudu.
Attēls 3-5 Lāzera shematiskā diagramma
3) Optiskās rezonanses dobuma rezonanses stāvoklis un rezonanses frekvence. Lai rezonanses dobuma garums ir L, tad rezonanses dobuma rezonanses stāvoklis ir:
Formulā c ir gaismas ātrums vakuumā; λ ir lāzera viļņa garums; n ir aktivējošā materiāla refrakcijas indekss; L ir optiskās rezonanses dobuma dobuma garums; un ir garenvirziena režīma numurs,=1, 2, 3.
Rezonanses dobums nodrošina pozitīvu atgriezenisko saiti tikai uz gaismas viļņu atbilstošā vienādojuma (3-1) viļņa garumu vai gaismas viļņu apmierinošā vienādojuma (3-2) frekvenci, liekot tiem nostiprināt viena otru dobumā un rezonēt, veidojot lāzera gaismu.
Tā kā stimulētās emisijas gaisma veido tikai stāvošus viļņus pa dobuma asi (garenvirzienu), tos sauc par garenvirziena režīmiem (dažādi režīmi atbilst dažādiem lauka sadalījumiem).
4) Svārstību sliekšņa nosacījums. Minimālo pastiprinājuma robežu, pie kuras lāzers var radīt lāzera svārstības, sauc par lāzera sliekšņa stāvokli (F-P dobumā ir zudumi, un arī gaismas atstarošana un refrakcija no spoguļiem nepārtraukti patērē fotonus). Ja Gu apzīmē sliekšņa pastiprinājuma koeficientu, tad svārstību sliekšņa nosacījums ir:
Formulā ir aktīvā materiāla zuduma koeficients optiskās rezonanses dobumā; L ir optiskās rezonanses dobuma dobuma garums; un un ir optiskās rezonanses dobuma divu spoguļu atstarošanas koeficienti.
