Sumber cahaya membolehkan penukaran daripada isyarat elektrik kepadaisyarat optikdan merupakan komponen teras pemancar optik dan sistem komunikasi gentian optik. Prestasi mereka secara langsung mempengaruhi prestasi dan penunjuk kualiti sistem komunikasi gentian optik. Bahagian ini terutamanya memperkenalkan struktur, prinsip kerja dan ciri berkaitan dua jenis sumber cahaya: diod laser (LD, juga dikenali sebagai laser) dan-diod pemancar cahaya (LED) dan menyediakan spesifikasi teknikalnya.
Beberapa konsep fizikal yang berkaitan dengan laser
Konsep foton
Teori kuantum cahaya Einstein menyatakan bahawa cahaya terdiri daripada foton dengan tenagahf, dengan h=6.628 × 10⁻13J·s, dikenali sebagai pemalar Planck, dan f ialah kekerapan gelombang cahaya. Foton ini dipanggil foton.
Apabila cahaya berinteraksi dengan jirim, tenaga foton diserap atau dipancarkan secara keseluruhan, mewujudkan teori dualiti zarah cahaya-gelombang.
Tahap tenaga atom
Dalam kristal semikonduktor, orbit elektron di luar nukleus atom bertindih kepada darjah yang berbeza-beza disebabkan oleh pergerakan bersama atom bersebelahan. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3-1, tahap tenaga dalam kristal tidak lagi tergolong dalam mana-mana atom tunggal; mereka boleh bergerak ke kawasan yang lebih luas, walaupun di seluruh kristal. Dengan kata lain, tahap tenaga asal telah diubah menjadi jalur tenaga. Jalur tenaga yang dibentuk oleh tahap tenaga terluar dipanggil jalur pengaliran, dan jalur tenaga dalam dipanggil jalur valens. Tiada elektron wujud dalam selang antara mereka; selang ini dipanggil jurang jalur.
Rajah 3-1 Aras tenaga dalam hablur
Tiga cara interaksi antara cahaya dan jirim
Interaksi antara cahaya dan jirim boleh dikurangkan kepada interaksi antara cahaya dan atom, termasuk tiga proses fizikal: penyerapan dirangsang, pelepasan spontan dan pelepasan dirangsang. Tahap tenaga dan peralihan elektronik bagi ketiga-tiga mod interaksi ini ditunjukkan dalam Rajah 3-2.
Rajah 3-2 Tahap tenaga dan peralihan elektronik dalam tiga mod interaksi antara cahaya dan jirim.
1) Dalam keadaan biasa, elektron biasanya berada dalam tahap tenaga rendah Ea. Di bawah pengaruh cahaya kejadian, elektron menyerap tenaga foton dan beralih ke tahap tenaga tinggi E2, menghasilkan arus foto. Peralihan ini dipanggil penyerapan dirangsang. Ini adalah prinsip kerja pengesan foto.
2) Elektron dalam tahap tenaga tinggi E2tidak stabil. Walaupun tanpa daya luaran, mereka secara spontan akan beralih ke tahap tenaga rendah Ea, bergabung semula dengan lubang, dan membebaskan tenaga yang ditukar menjadi foton yang dipancarkan ke luar. Peralihan ini dipanggil pelepasan spontan. Ini ialah prinsip kerja diod pemancar cahaya-(LED). Cahaya yang dipancarkan secara spontan adalah cahaya yang tidak koheren.
3) Apabila elektron dalam tahap tenaga tinggi Eateruja oleh foton luaran dengan tenaga hf, ia terpaksa beralih ke tahap tenaga rendah Ea, bergabung semula dengan lubang, dan pada masa yang sama melepaskan foton dengan frekuensi, fasa dan arah yang sama seperti cahaya pengujaan (dipanggil foton yang sama).
Oleh kerana proses ini dijana di bawah pengujaan foton luaran, peralihan ini dipanggil pelepasan dirangsang. Ini adalah prinsip kerja laser. Cahaya pelepasan yang dirangsang adalah cahaya koheren.
Penyongsangan populasi dan penguatan cahaya
Pelepasan yang dirangsang adalah kunci kepada penjanaan laser. Biarkan ketumpatan zarah pada tahap tenaga yang lebih rendah menjadi N, dan ketumpatan zarah pada tahap tenaga yang lebih tinggi ialah N². Dalam keadaan biasa, N > N², bermakna penyerapan yang dirangsang sentiasa melebihi pelepasan yang dirangsang; iaitu, di bawah keseimbangan terma, jirim tidak dapat menguatkan cahaya.
Untuk jirim menguatkan cahaya, pelepasan rangsangan mesti melebihi penyerapan yang dirangsang, walaupun N² > N (bilangan elektron pada tahap tenaga yang lebih tinggi adalah lebih besar daripada bilangan pada tahap tenaga yang lebih rendah). Taburan nombor zarah yang tidak normal ini dipanggil penyongsangan populasi.
Penyongsangan populasi adalah syarat utama untuk bahan menghasilkan penguatan cahaya dan memancarkan cahaya.
Semikonduktor celah jalur langsung dan celah jalur tidak langsung
Dalam pelepasan cahaya yang dirangsang, tenaga dan momentum mesti dipelihara. Bentuk jurang jalur berkaitan dengan momentum; berdasarkan bentuk jurang jalur, semikonduktor boleh dibahagikan kepada jenis jurang jalur langsung dan jurang jalur tidak langsung, seperti ditunjukkan dalam Rajah 3-3. Dalam semikonduktor jurang jalur langsung, tahap tenaga minimum jalur pengaliran dan tahap tenaga maksimum jalur valens mempunyai momentum yang sama, dan peralihan elektron secara menegak, menghasilkan kecekapan bercahaya yang tinggi, seperti ditunjukkan dalam Rajah 3-3a. Dalam semikonduktor jurang jalur tidak langsung, zarah lain mesti mengambil bahagian untuk mengekalkan pemuliharaan momentum untuk peralihan elektron, seperti ditunjukkan dalam Rajah 3-3b. Hanya bahan semikonduktor jurang jalur terus boleh digunakan untuk mengarang peranti pemancar cahaya; bahan ini termasuk GaAs, AlGaAs, InP dan InGaAsP.
Rajah 3-3 Celah jalur langsung dan semikonduktor celah jalur tidak langsung
Prinsip laser
Laser semikonduktor ialah laser yang menggunakan bahan semikonduktor sebagai medium aktifnya; ia juga dipanggil pengayun sendiri-laser semikonduktor.
Untuk laser memancarkan cahaya laser, tiga syarat berikut mesti dipenuhi: mesti ada bahan kerja (juga dipanggil bahan pengaktif) yang mampu menghasilkan cahaya laser; mesti ada sumber pengujaan (juga dipanggil sumber pam) yang mampu meletakkan bahan kerja ke dalam keadaan penyongsangan populasi; dan mesti ada resonator optik yang mampu melakukan pemilihan frekuensi dan maklum balas.
(1) Bahan kerja yang mampu menghasilkan cahaya laser ialah bahan yang boleh mencapai taburan penyongsangan populasi. Sebaik sahaja diaktifkan, bahan kerja dipanggil bahan pengaktif atau bahan perolehan, dan ia adalah syarat yang diperlukan untuk penjanaan laser.
(2) Punca pam ialah sumber pengujaan luaran yang menyebabkan bahan kerja mencapai taburan penyongsangan populasi. Di bawah tindakan sumber pam, Ni> Ni, mengakibatkan pelepasan rangsangan lebih besar daripada penyerapan yang dirangsang, dengan itu menguatkan cahaya.
(3) Resonator optik: Bahan pengaktif hanya boleh menguatkan cahaya. Hanya dengan meletakkan bahan pengaktif dalam resonator optik untuk memberikan maklum balas yang diperlukan dan memilih frekuensi dan arah cahaya boleh penguatan cahaya berterusan dan output ayunan laser diperolehi. Bahan pengaktif dan resonator optik adalah syarat yang diperlukan untuk menghasilkan ayunan laser.
1) Struktur rongga resonan optik. Struktur rongga resonan optik ditunjukkan dalam Rajah 3-4. Dengan meletakkan dua cermin selari, M1 dan M2, masing-masing dengan pekali pantulan r1 dan r2, pada kedudukan yang sesuai pada kedua-dua hujung bahan pengaktif, rongga resonan optik yang paling mudah terbentuk, juga dipanggil Rongga Perot-Fabry atau rongga FP.
Jika cermin adalah cermin satah, ia dipanggil rongga satah; jika cermin adalah cermin sfera, ia dipanggil rongga sfera. Daripada dua cermin itu, satu mesti dapat memantulkan cahaya sepenuhnya, dan satu lagi mesti dapat memantulkan sebahagiannya.
Rajah 3-4 Struktur rongga resonan optik
2) Proses ayunan penjanaan laser dalam rongga resonans. Gambar rajah skematik laser ditunjukkan dalam Rajah 3-5. Apabila medium kerja mencapai penyongsangan populasi di bawah tindakan sumber pam, pelepasan spontan dijana. Jika arah pancaran spontan tidak selari dengan paksi rongga resonan optik, ia dipantulkan keluar dari rongga resonan. Hanya pelepasan spontan selari dengan paksi rongga resonans boleh wujud dan terus ke hadapan. Apabila ia bertemu dengan zarah pada tahap tenaga yang lebih tinggi, ia mendorong peralihan yang dirangsang, memancarkan foton yang sama dalam peralihan dari tahap tenaga yang lebih tinggi ke tahap tenaga yang lebih rendah-ini adalah pelepasan yang dirangsang. Apabila cahaya pancaran yang dirangsang memantul ke sana ke mari sekali dalam rongga resonans, dan perubahan fasa adalah tepat gandaan integer 2π, beberapa lampu pelepasan yang dirangsang merambat ke arah yang sama menguatkan satu sama lain, menghasilkan resonans. Selepas mencapai keamatan tertentu, ia dihantar melalui cermin separa M2, membentuk pancaran laser lurus. Apabila keseimbangan dicapai, tenaga yang dikuatkan oleh cahaya pelepasan yang dirangsang semasa setiap perjalanan pergi balik dalam rongga resonans betul-betul membatalkan tenaga yang digunakan, di mana laser mengekalkan output yang stabil.
Rajah 3-5 Diagram skematik laser
3) Keadaan resonans dan frekuensi resonans rongga resonan optik. Biarkan panjang rongga resonans ialah L, maka keadaan resonans rongga resonan ialah:
Dalam formula, c ialah kelajuan cahaya dalam vakum; λ ialah panjang gelombang laser; n ialah indeks biasan bahan pengaktif; L ialah panjang rongga rongga resonan optik; dan ialah nombor mod membujur,=1, 2, 3.
Rongga resonan memberikan maklum balas positif hanya kepada panjang gelombang persamaan pemuas gelombang cahaya (3-1) atau frekuensi persamaan pemuas gelombang cahaya (3-2), menyebabkan mereka saling menguatkan di dalam rongga dan bergema membentuk cahaya laser.
Memandangkan cahaya pancaran yang dirangsang hanya membentuk gelombang berdiri di sepanjang paksi rongga (arah membujur), ini dipanggil mod membujur (mod yang berbeza sepadan dengan taburan medan yang berbeza).
4) Keadaan ambang untuk ayunan. Had perolehan minimum di mana laser boleh menghasilkan ayunan laser dipanggil keadaan ambang laser (rongga F-P mengalami kehilangan, dan pantulan cahaya serta pembiasan daripada cermin turut mengambil foton secara berterusan). Jika Gu mewakili pekali keuntungan ambang, maka keadaan ambang untuk ayunan ialah:
Dalam formula, adalah pekali kehilangan bahan aktif dalam rongga resonan optik; L ialah panjang rongga rongga resonan optik; dan dan ialah pekali pantulan bagi dua cermin rongga resonan optik.
