Lichtbronnen maken de omzetting van elektrische signalen naaroptische signalenen zijn kerncomponenten van optische zenders en glasvezelcommunicatiesystemen. Hun prestaties hebben rechtstreeks invloed op de prestatie- en kwaliteitsindicatoren van het glasvezelcommunicatiesysteem. In dit gedeelte worden voornamelijk de structuur, het werkingsprincipe en de daarmee samenhangende kenmerken van twee soorten lichtbronnen geïntroduceerd: laserdiodes (LD's, ook bekend als lasers) en licht-emitterende diodes (LED's), en worden de technische specificaties ervan gegeven.
Verschillende fysieke concepten gerelateerd aan lasers
Het concept van fotonen
Einsteins kwantumtheorie van licht stelt dat licht bestaat uit fotonen met energiehf, waarbij h=6.628 × 10⁻13J·s, bekend als de constante van Planck, en f is de frequentie van de lichtgolf. Deze fotonen worden fotonen genoemd.
Wanneer licht interageert met materie, wordt de energie van het foton als geheel geabsorbeerd of uitgezonden, waardoor de golf-{0}}deeltjesdualiteitstheorie van licht wordt vastgesteld.
Atoomenergieniveau
In halfgeleiderkristallen overlappen de banen van elektronen buiten de atoomkernen elkaar in verschillende mate als gevolg van de gedeelde beweging van aangrenzende atomen. Zoals je kunt zien in figuur 3.1 behoren de energieniveaus in het kristal niet langer tot één enkel atoom; ze kunnen zich over een groter gebied bewegen, zelfs door het hele kristal. Met andere woorden: de oorspronkelijke energieniveaus zijn omgezet in energiebanden. De energieband gevormd door de buitenste energieniveaus wordt de geleidingsband genoemd, en de binnenste energiebanden worden de valentieband genoemd. Er zijn geen elektronen in de intervallen daartussen; dit interval wordt de bandafstand genoemd.
Figuur 3-1 Energieniveaus in een kristal
Drie vormen van interactie tussen licht en materie
De interactie tussen licht en materie kan worden teruggebracht tot de interactie tussen licht en atomen, inclusief drie fysieke processen: gestimuleerde absorptie, spontane emissie en gestimuleerde emissie. De energieniveaus en elektronische overgangen van deze drie interactiemodi worden weergegeven in figuur 3-2.
Figuur 3-2 Energieniveaus en elektronische transities in drie vormen van interactie tussen licht en materie.
1) Onder normale omstandigheden bevinden elektronen zich meestal in een laag energieniveau Ea. Onder invloed van invallend licht absorberen elektronen de energie van het foton en gaan over naar een hoog energieniveau E2, het genereren van een fotostroom. Deze overgang wordt gestimuleerde absorptie genoemd. Dit is het werkingsprincipe van een fotodetector.
2) Elektronen in het hoge energieniveau E2zijn onstabiel. Zelfs zonder externe kracht zullen ze spontaan overgaan naar het lage energieniveau Ea, recombineren met gaten en geven energie vrij die wordt omgezet in fotonen die naar buiten worden uitgestraald. Deze overgang wordt spontane emissie genoemd. Dit is het werkingsprincipe van een lichte-emitterende diode (LED). Spontaan uitgestraald licht is onsamenhangend licht.
3) Wanneer een elektron in het hoge energieniveau Eawordt opgewonden door een extern foton met energie hf, wordt het gedwongen over te stappen naar het lage energieniveau Ea, recombineren met gaten en laten tegelijkertijd een foton vrij met dezelfde frequentie, fase en richting als het excitatielicht (een identiek foton genoemd).
Omdat dit proces wordt gegenereerd onder de excitatie van een extern foton, wordt deze overgang gestimuleerde emissie genoemd. Dit is het werkingsprincipe van een laser. Gestimuleerd emissielicht is coherent licht.
Populatie-inversie en lichtversterking
Gestimuleerde emissie is de sleutel tot lasergeneratie. Laat de deeltjesdichtheid op het lagere energieniveau N zijn, en de deeltjesdichtheid op het hogere energieniveau N². Onder normale omstandigheden is N > N², wat betekent dat de gestimuleerde absorptie altijd groter is dan de gestimuleerde emissie; dat wil zeggen dat materie onder thermisch evenwicht het licht niet kan versterken.
Wil materie het licht versterken, dan moet de gestimuleerde emissie groter zijn dan de gestimuleerde absorptie, zelfs als N² > N (het aantal elektronen op hogere energieniveaus is groter dan het aantal op lagere energieniveaus). Deze abnormale verdeling van deeltjesaantallen wordt populatie-inversie genoemd.
Populatie-inversie is de belangrijkste voorwaarde voor een stof om lichtversterking te produceren en licht uit te zenden.
Halfgeleiders met directe bandafstand en indirecte bandafstand
Bij gestimuleerde emissie van licht moeten energie en momentum behouden blijven. De vorm van de bandafstand houdt verband met momentum; op basis van de vorm van de bandafstand kunnen halfgeleiders worden onderverdeeld in typen directe bandafstand en indirecte bandafstand, zoals weergegeven in figuur 3-3. In halfgeleiders met directe bandafstand hebben het minimale energieniveau van de geleidingsband en het maximale energieniveau van de valentieband hetzelfde momentum, en gaan elektronen verticaal over, wat resulteert in een hoge lichtefficiëntie, zoals weergegeven in figuur 3-3a. In halfgeleiders met indirecte bandafstand moeten andere deeltjes meedoen om het momentumbehoud voor elektronenovergangen te behouden, zoals weergegeven in figuur 3.3b. Alleen halfgeleidermaterialen met directe bandafstand kunnen worden gebruikt om lichtgevende apparaten te vervaardigen; deze materialen omvatten GaAs, AlGaAs, InP en InGaAsP.
Figuur 3-3 Halfgeleiders met directe bandafstand en indirecte bandafstand
Laserprincipe
Een halfgeleiderlaser is een laser die halfgeleidermaterialen als actief medium gebruikt; het wordt ook wel een zelf-halfgeleiderlaser-oscillator genoemd.
Wil een laser laserlicht uitzenden, dan moet aan de volgende drie voorwaarden worden voldaan: er moet een werkende substantie (ook wel een activerende substantie genoemd) zijn die laserlicht kan genereren; er moet een excitatiebron zijn (ook wel pompbron genoemd) die de werkstof in een populatie-inversietoestand kan brengen; en er moet een optische resonator zijn die frequentieselectie en feedback kan uitvoeren.
(1) De werksubstantie die laserlicht kan genereren, is de substantie die een populatie-inversieverdeling kan bewerkstelligen. Eenmaal geactiveerd, wordt de werkende substantie de activerende substantie of de versterkingssubstantie genoemd, en het is een noodzakelijke voorwaarde voor het genereren van lasers.
(2) De pompbron is een externe excitatiebron die ervoor zorgt dat de werkstof een populatie-inversieverdeling bereikt. Onder invloed van de pompbron, Ni> Ni, resulterend in een gestimuleerde emissie die groter is dan de gestimuleerde absorptie, waardoor het licht wordt versterkt.
(3) De optische resonator: de activerende substantie kan het licht alleen versterken. Alleen door de activerende substantie in een optische resonator te plaatsen om de nodige feedback te geven en de frequentie en richting van het licht te selecteren, kan een continue lichtversterking en laseroscillatie worden verkregen. De activerende substantie en de optische resonator zijn noodzakelijke voorwaarden voor het genereren van laseroscillatie.
1) Structuur van een optische resonantieholte. De structuur van een optische resonantieholte wordt getoond in figuur 3-4. Door twee parallelle spiegels, M1 en M2, met respectievelijk reflectiecoëfficiënten r1 en r2, op geschikte posities aan beide uiteinden van het activerende materiaal te plaatsen, wordt de eenvoudigste optische resonantieholte gevormd, ook wel een Fabry-Perot-holte of FP-holte genoemd.
Als de spiegels vlakke spiegels zijn, wordt dit een vlakke holte genoemd; als de spiegels bolvormige spiegels zijn, wordt dit een bolvormige holte genoemd. Van de twee spiegels moet er één het licht volledig kunnen reflecteren, en de andere moet gedeeltelijk kunnen reflecteren.
Figuur 3-4 Structuur van een optische resonantieholte
2) Het oscillatieproces van lasergeneratie in een resonantieholte. Een schematisch diagram van een laser wordt getoond in Figuur 3-5. Wanneer het werkmedium populatie-inversie bereikt onder invloed van de pompbron, wordt spontane emissie gegenereerd. Als de richting van de spontane emissie niet evenwijdig is aan de as van de optische resonantieholte, wordt deze uit de resonantieholte gereflecteerd. Alleen spontane emissie evenwijdig aan de as van de resonantieholte kan bestaan en voorwaarts doorgaan. Wanneer het een deeltje met een hoger energieniveau tegenkomt, veroorzaakt het een gestimuleerde transitie, waarbij een identiek foton wordt uitgezonden bij de overgang van het hogere energieniveau naar het lagere energieniveau: dit is gestimuleerde emissie. Wanneer het gestimuleerde emissielicht eenmaal heen en weer reflecteert binnen de resonantieholte, en de faseverandering precies een geheel veelvoud is van 2π, versterken verschillende gestimuleerde emissielichten die zich in dezelfde richting voortplanten elkaar, waardoor resonantie ontstaat. Nadat een bepaalde intensiteit is bereikt, wordt deze door de gedeeltelijke spiegel M2 doorgelaten, waardoor een rechte laserstraal wordt gevormd. Wanneer het evenwicht is bereikt, compenseert de energie die wordt versterkt door het gestimuleerde emissielicht tijdens elke heen- en terugreis binnen de resonantieholte precies de verbruikte energie, op welk punt de laser een stabiele output handhaaft.
Figuur 3-5 Schematisch diagram van laser
3) Resonantietoestand en resonantiefrequentie van een optische resonantieholte. Stel dat de lengte van de resonantieholte L is, dan is de resonantievoorwaarde van de resonantieholte:
In de formule is c de lichtsnelheid in een vacuüm; λ is de lasergolflengte; n is de brekingsindex van het activerende materiaal; L is de holtelengte van de optische resonantieholte; en is het longitudinale modusnummer,=1, 2, 3.
De resonantieholte geeft alleen positieve feedback op de golflengte van de lichtgolf-bevredigende vergelijking (3-1) of de frequentie van de lichtgolf-bevredigende vergelijking (3-2), waardoor ze elkaar binnen de holte versterken en resoneren om laserlicht te vormen.
Omdat gestimuleerd emissielicht alleen staande golven vormt langs de as van de holte (longitudinale richting), worden dit longitudinale modi genoemd (verschillende modi komen overeen met verschillende veldverdelingen).
4) Drempelvoorwaarde voor oscillatie. De minimale versterkingslimiet waarbij een laser laseroscillatie kan produceren, wordt de drempeltoestand van de laser genoemd (F-P-holte heeft verliezen, en lichtreflectie en breking van spiegels verbruiken ook continu fotonen). Als Gu de drempelversterkingscoëfficiënt vertegenwoordigt, dan is de drempelvoorwaarde voor oscillatie:
In de formule is de verliescoëfficiënt van het actieve materiaal in de optische resonantieholte; L is de holtelengte van de optische resonantieholte; en en zijn de reflectiecoëfficiënten van de twee spiegels van de optische resonantieholte.
