Šviesos šaltiniai leidžia konvertuoti iš elektros signalus įoptiniai signalaiir yra pagrindiniai optinių siųstuvų ir šviesolaidinių ryšių sistemų komponentai. Jų veikimas tiesiogiai įtakoja šviesolaidinio ryšio sistemos veikimo ir kokybės rodiklius. Šiame skyriuje daugiausia pristatoma dviejų tipų šviesos šaltinių: lazerinių diodų (LD, dar vadinamų lazeriais) ir šviesos diodų (LED) struktūra, veikimo principas ir susijusios charakteristikos bei pateikiamos jų techninės specifikacijos.
Keletas fizinių sąvokų, susijusių su lazeriais
Fotonų samprata
Einšteino kvantinė šviesos teorija teigia, kad šviesa susideda iš fotonų, turinčių energijąhf, kur h=6.628 × 10⁻13J·s, žinomas kaip Planko konstanta, o f yra šviesos bangos dažnis. Šie fotonai vadinami fotonais.
Kai šviesa sąveikauja su medžiaga, fotono energija sugeriama arba išspinduliuojama kaip visuma, todėl sukuriama šviesos bangų{0}}dalelių dvilypumo teorija.
Atominės energijos lygis
Puslaidininkių kristaluose elektronų orbitos, esančios už atomo branduolių, įvairiu laipsniu persidengia dėl bendro gretimų atomų judėjimo. Kaip parodyta 3-1 paveiksle, energijos lygiai kristale nebepriklauso jokiam atskiram atomui; jie gali judėti platesnėje srityje, net per visą kristalą. Kitaip tariant, pirminiai energijos lygiai buvo transformuoti į energijos juostas. Energijos juosta, kurią sudaro atokiausi energijos lygiai, vadinama laidumo juosta, o vidinės energijos juostos – valentine juosta. Intervaluose tarp jų nėra elektronų; šis intervalas vadinamas juostos tarpu.
3-1 pav. Energijos lygiai kristale
Trys šviesos ir materijos sąveikos būdai
Šviesos ir materijos sąveika gali būti sumažinta iki šviesos ir atomų sąveikos, įskaitant tris fizikinius procesus: stimuliuojamą absorbciją, spontanišką emisiją ir stimuliuojamą emisiją. Šių trijų sąveikos režimų energijos lygiai ir elektroniniai perėjimai parodyti 3-2 pav.
3-2 pav. Energijos lygiai ir elektroniniai perėjimai trimis šviesos ir materijos sąveikos režimais.
1) Normaliomis sąlygomis elektronai paprastai yra žemo energijos lygio Ea. Krintančios šviesos įtakoje elektronai sugeria fotono energiją ir pereina į aukštą energijos lygį E2, generuoja fotosrovę. Šis perėjimas vadinamas stimuliuojama absorbcija. Tai yra fotodetektoriaus veikimo principas.
2) elektronai aukšto energijos lygio E2yra nestabilūs. Net ir be išorinės jėgos jie spontaniškai pereis į žemą energijos lygį Ea, rekombinuojasi su skylutėmis ir išskiria energiją, paverstą fotonais, kurie spinduliuoja į išorę. Šis perėjimas vadinamas spontaniška emisija. Tai yra šviesos-diodo (LED) veikimo principas. Spontaniškai skleidžiama šviesa yra nenuosekli šviesa.
3) Kai elektronas aukšto energijos lygio Easužadina išorinis fotonas, kurio energija hf, jis priverstas pereiti prie žemo energijos lygio Ea, rekombinuojasi su skylutėmis ir tuo pačiu metu išskiria fotoną, kurio dažnis, fazė ir kryptis toks pat kaip ir sužadinimo šviesa (vadinamas identišku fotonu).
Kadangi šis procesas generuojamas sužadinant išorinį fotoną, šis perėjimas vadinamas stimuliuojama emisija. Tai yra lazerio veikimo principas. Stimuliuotos emisijos šviesa yra nuosekli šviesa.
Populiacijos inversija ir šviesos stiprinimas
Stimuliuota emisija yra lazerio generavimo pagrindas. Tegul dalelių tankis žemesniame energijos lygyje yra N, o dalelių tankis aukštesniame energijos lygyje yra N². Normaliomis sąlygomis N > N², ty stimuliuojama absorbcija visada viršija stimuliuojamą emisiją; tai yra, esant terminei pusiausvyrai, materija negali sustiprinti šviesos.
Kad medžiaga sustiprintų šviesą, stimuliuojama emisija turi viršyti stimuliuojamą sugertį, net jei N² > N (elektronų skaičius aukštesniuose energijos lygiuose yra didesnis nei skaičius žemesniuose energijos lygiuose). Šis nenormalus dalelių skaičiaus pasiskirstymas vadinamas populiacijos inversija.
Populiacijos inversija yra pagrindinė sąlyga, kad medžiaga sustiprintų šviesą ir skleistų šviesą.
Tiesioginės juostos ir netiesioginės juostos puslaidininkiai
Stimuliuojamoje šviesoje turi būti išsaugota energija ir impulsas. Juostos tarpo forma yra susijusi su impulsu; pagal juostos tarpo formą puslaidininkius galima suskirstyti į tiesioginio juostos tarpo ir netiesioginio juostos tarpo tipus, kaip parodyta 3 paveiksle-3. Tiesioginės juostos tarpo puslaidininkiuose minimalus laidumo juostos energijos lygis ir maksimalus valentinės juostos energijos lygis turi tokį patį impulsą, o elektronai pereina vertikaliai, todėl gaunamas didelis šviesos efektyvumas, kaip parodyta 3-3a paveiksle. Netiesioginio juostos tarpo puslaidininkiuose turi dalyvauti kitos dalelės, kad būtų išlaikytas elektronų perėjimų impulsas, kaip parodyta 3-3b paveiksle. Šviesą skleidžiantiems įrenginiams gaminti gali būti naudojamos tik tiesioginės juostos tarpo puslaidininkinės medžiagos; šios medžiagos apima GaAs, AlGaAs, InP ir InGaAsP.
3-3 pav. Tiesioginės juostos ir netiesioginės juostos puslaidininkiai
Lazerio principas
Puslaidininkinis lazeris – tai lazeris, kurio aktyvioji terpė naudoja puslaidininkines medžiagas; jis taip pat vadinamas puslaidininkiniu lazeriniu savarankišku{0}}osciliatoriumi.
Kad lazeris skleistų lazerio šviesą, turi būti įvykdytos šios trys sąlygos: turi būti darbinė medžiaga (dar vadinama aktyvinančia medžiaga), galinti generuoti lazerio šviesą; turi būti sužadinimo šaltinis (taip pat vadinamas siurblio šaltiniu), galintis darbinę medžiagą perkelti į populiacijos inversijos būseną; ir turi būti optinis rezonatorius, galintis atlikti dažnio pasirinkimą ir grįžtamąjį ryšį.
(1) Darbinė medžiaga, galinti generuoti lazerio šviesą, yra medžiaga, kuri gali pasiekti populiacijos inversijos pasiskirstymą. Suaktyvinta darbinė medžiaga vadinama aktyvuojančia arba įgyjančia medžiaga ir yra būtina lazerio generavimo sąlyga.
(2) Siurblio šaltinis yra išorinis sužadinimo šaltinis, dėl kurio darbinė medžiaga pasiekia populiacijos inversijos pasiskirstymą. Veikiant siurblio šaltiniui, Ni> Ni, todėl stimuliuojama emisija yra didesnė nei stimuliuojama sugertis, taip sustiprinant šviesą.
(3) Optinis rezonatorius: aktyvinanti medžiaga gali tik sustiprinti šviesą. Tik įdėjus aktyvuojančiąją medžiagą į optinį rezonatorių, kad būtų užtikrintas reikalingas grįžtamasis ryšys ir parinktas šviesos dažnis bei kryptis, galima gauti nuolatinį šviesos stiprinimą ir lazerio virpesių išėjimą. Aktyvuojanti medžiaga ir optinis rezonatorius yra būtinos sąlygos lazerio virpesiams generuoti.
1) Optinio rezonansinės ertmės sandara. Optinio rezonansinės ertmės struktūra parodyta 3-4 pav. Pastačius du lygiagrečius veidrodžius M1 ir M2, turinčius atitinkamai atspindžio koeficientus r1 ir r2, atitinkamose vietose abiejuose aktyvuojančios medžiagos galuose, susidaro paprasčiausia optinio rezonanso ertmė, dar vadinama Fabry-Perot ertme arba FP ertme.
Jei veidrodžiai yra plokštuminiai veidrodžiai, tai vadinama plokščia ertme; jei veidrodžiai yra sferiniai veidrodžiai, tai vadinama sferine ertme. Iš dviejų veidrodžių vienas turi visiškai atspindėti šviesą, o kitas – iš dalies.
3-4 pav. Optinio rezonanso ertmės struktūra
2) Lazerio generavimo virpesių procesas rezonansinėje ertmėje. Lazerio schema parodyta 3-5 pav. Kai darbinė terpė pasiekia populiacijos inversiją veikiant siurblio šaltiniui, susidaro spontaniška emisija. Jei spontaninės emisijos kryptis nėra lygiagreti optinio rezonansinės ertmės ašiai, ji atsispindi iš rezonansinės ertmės. Gali egzistuoti ir tęstis tik spontaniška emisija, lygiagreti rezonansinės ertmės ašiai. Kai ji susiduria su aukštesnio energijos lygio dalele, ji sukelia stimuliuojamą perėjimą, išspinduliuojant identišką fotoną pereinant iš aukštesnio energijos lygio į žemesnį energijos lygį – tai stimuliuojama emisija. Kai stimuliuojama spinduliuotės šviesa vieną kartą atsispindi pirmyn ir atgal rezonansinėje ertmėje, o fazės pokytis yra tiksliai sveikasis 2π kartotinis, kelios stimuliuojamos spinduliuotės šviesos, sklindančios ta pačia kryptimi, sustiprina viena kitą, sukurdamos rezonansą. Pasiekęs tam tikrą intensyvumą, jis perduodamas per dalinį veidrodį M2, suformuojant tiesų lazerio spindulį. Kai pasiekiama pusiausvyra, energija, kurią sustiprina stimuliuojamos spinduliuotės šviesa per kiekvieną kelionę pirmyn ir atgal rezonansinėje ertmėje, tiksliai panaikina sunaudotą energiją, o tuo metu lazeris palaiko stabilų išėjimą.
3-5 pav. Lazerio schema
3) Optinio rezonanso ertmės rezonansinė būklė ir rezonansinis dažnis. Tegul rezonansinės ertmės ilgis yra L, tada rezonansinės ertmės rezonansinė sąlyga yra:
Formulėje c yra šviesos greitis vakuume; λ yra lazerio bangos ilgis; n yra aktyvuojančios medžiagos lūžio rodiklis; L yra optinio rezonanso ertmės ilgis; ir yra išilginio režimo numeris,=1, 2, 3.
Rezonansinė ertmė suteikia teigiamą grįžtamąjį ryšį tik į šviesos bangą tenkinančios lygties (3-1) bangos ilgį arba šviesos bangą tenkinančios lygties (3-2) dažnį, todėl jos viena kitą sustiprina ertmėje ir rezonuoja, kad susidarytų lazerio šviesa.
Kadangi stimuliuojama spinduliuotės šviesa formuoja tik stovinčias bangas išilgai ertmės ašies (išilginė kryptis), tai vadinama išilginiais režimais (skirtingi režimai atitinka skirtingą lauko pasiskirstymą).
4) Virpesių slenkstinė sąlyga. Mažiausia stiprinimo riba, kuriai esant lazeris gali sukelti lazerio virpesius, vadinama lazerio slenksčio sąlyga (F-P ertmė turi nuostolių, o šviesos atspindys ir lūžis nuo veidrodžių taip pat nuolat sunaudoja fotonus). Jei Gu reiškia slenkstinį stiprinimo koeficientą, tada virpesių slenkstinė sąlyga yra:
Formulėje yra aktyviosios medžiagos nuostolių koeficientas optinio rezonanso ertmėje; L yra optinio rezonanso ertmės ilgis; ir ir yra dviejų optinio rezonansinės ertmės veidrodžių atspindžio koeficientai.