Valgusallikad võimaldavad muundada elektrilisi signaaleoptilised signaalidning on optiliste saatjate ja fiiberoptiliste sidesüsteemide põhikomponendid. Nende jõudlus mõjutab otseselt fiiberoptilise sidesüsteemi jõudlust ja kvaliteedinäitajaid. Selles jaotises tutvustatakse peamiselt kahte tüüpi valgusallikate: laserdioodid (LD-d, tuntud ka kui laserid) ja valgusdioodid (LED-id) struktuuri, tööpõhimõtet ja nendega seotud omadusi ning esitatakse nende tehnilised andmed.
Mitmed laseritega seotud füüsikalised mõisted
Footonite mõiste
Einsteini valguse kvantteooria väidab, et valgus koosneb energiaga footonitesthf, kus h=6.628 × 10⁻13J·s, tuntud kui Plancki konstant, ja f on valguslaine sagedus. Neid footoneid nimetatakse footoniteks.
Kui valgus interakteerub ainega, neeldub või kiirgab footoni energia tervikuna, luues valguse laine{0}}osakeste duaalsuse teooria.
Aatomienergia tase
Pooljuhtkristallides kattuvad aatomituumadest väljaspool olevate elektronide orbiidid erineval määral külgnevate aatomite ühise liikumise tõttu. Nagu on näidatud joonisel 3-1, ei kuulu kristalli energiatasemed enam ühelegi üksikule aatomile; nad võivad liikuda laiemal alal, isegi kogu kristalli ulatuses. Teisisõnu, algsed energiatasemed on muudetud energiaribadeks. Äärepoolseimate energiatasemete moodustatud energiariba nimetatakse juhtivusribaks ja sisemisi energiaribasid valentsribaks. Nendevahelistes intervallides ei eksisteeri elektrone; seda intervalli nimetatakse ribavaheks.
Joonis 3-1 Energiatasemed kristallis
Kolm valguse ja aine vastasmõju
Valguse ja aine vastastikmõju saab taandada valguse ja aatomite vastastikmõjuks, sealhulgas kolmeks füüsikaliseks protsessiks: stimuleeritud neeldumine, spontaanne emissioon ja stimuleeritud emissioon. Nende kolme interaktsioonirežiimi energiatasemed ja elektroonilised üleminekud on näidatud joonisel 3-2.
Joonis 3-2 Energiatasemed ja elektroonilised üleminekud kolmes valguse ja aine vahelise interaktsiooni režiimis.
1) Normaalsetes tingimustes on elektronid tavaliselt madalal energiatasemel Ea. Langeva valguse mõjul neelavad elektronid footoni energia ja lähevad üle kõrgele energiatasemele E2, tekitades fotovoolu. Seda üleminekut nimetatakse stimuleeritud absorptsiooniks. See on fotodetektori tööpõhimõte.
2) Elektronid kõrgel energiatasemel E2on ebastabiilsed. Isegi ilma välise jõuta lähevad nad spontaanselt üle madalale energiatasemele Ea, ühinevad aukudega ja vabastavad energia, mis muundatakse footoniteks, mis kiirguvad väljapoole. Seda üleminekut nimetatakse spontaanseks emissiooniks. See on valgusdioodi (LED) tööpõhimõte. Spontaanselt kiirgav valgus on ebaühtlane valgus.
3) Kui elektron kõrgel energiatasemel Eaergastab välise footoni energiaga hf, on see sunnitud üle minema madalale energiatasemele Ea, kombineeritakse uuesti aukudega ja vabastab samaaegselt ergutusvalgusega sama sageduse, faasi ja suunaga footoni (nimetatakse identseks footoniks).
Kuna see protsess tekib välise footoni ergastamisel, nimetatakse seda üleminekut stimuleeritud emissiooniks. See on laseri tööpõhimõte. Stimuleeritud emissioonivalgus on koherentne valgus.
Populatsiooni ümberpööramine ja valguse võimendamine
Stimuleeritud emissioon on laseri genereerimise võtmeks. Olgu osakeste tihedus madalamal energiatasemel N ja osakeste tihedus kõrgemal energiatasemel N². Normaaltingimustes N > N², mis tähendab, et stimuleeritud neeldumine ületab alati stimuleeritud emissiooni; st termilise tasakaalu tingimustes ei saa aine valgust võimendada.
Et aine valgust võimendaks, peab stimuleeritud emissioon ületama stimuleeritud neeldumise, isegi kui N² > N (elektronide arv kõrgematel energiatasemetel on suurem kui madalamatel energiatasemetel). Seda osakeste arvu ebanormaalset jaotust nimetatakse populatsiooni inversiooniks.
Populatsiooni ümberpööramine on aine esmane tingimus valguse võimendamiseks ja valguse kiirgamiseks.
Otsese ribalaiusega ja kaudse ribalaiusega pooljuhid
Stimuleeritud valguse emissiooni korral tuleb energiat ja hoogu säilitada. Ribavahe kuju on seotud impulsiga; ribalaiuse kuju alusel saab pooljuhid jagada otsese ja kaudse ribalaiuse tüüpideks, nagu on näidatud joonisel 3-3. Otsese ribavahega pooljuhtides on juhtivusriba minimaalne energiatase ja valentsriba maksimaalne energiatase sama impulsiga ning elektronid siirduvad vertikaalselt, mille tulemuseks on kõrge valgusefektiivsus, nagu on näidatud joonisel 3-3a. Kaudse ribavahega pooljuhtides peavad elektronide üleminekute impulsi säilitamiseks osalema teised osakesed, nagu on näidatud joonisel 3-3b. Valgust kiirgavate seadmete valmistamiseks võib kasutada ainult otsese ribalaiusega pooljuhtmaterjale; nende materjalide hulka kuuluvad GaAs, AlGaAs, InP ja InGaAsP.
Joonis 3-3 Otsese ribalaiusega ja kaudse ribalaiusega pooljuhid
Laseri põhimõte
Pooljuhtlaser on laser, mis kasutab aktiivse keskkonnana pooljuhtmaterjale; seda nimetatakse ka pooljuhtlaseri ise{0}}ostsillaatoriks.
Selleks, et laser kiirgaks laservalgust, peavad olema täidetud kolm järgmist tingimust: peab olema töötav aine (nimetatakse ka aktiveerivaks aineks), mis on võimeline laservalgust tekitama; peab olema ergutusallikas (nimetatakse ka pumbaallikaks), mis suudab viia töötava aine populatsiooni inversiooni olekusse; ja peab olema optiline resonaator, mis on võimeline teostama sageduse valikut ja tagasisidet.
(1) Laservalgust tekitav tööaine on aine, mis suudab saavutada populatsiooni inversioonijaotuse. Pärast aktiveerimist nimetatakse töötavat ainet aktiveerivaks aineks või võimendusaineks ja see on lasergenereerimise vajalik tingimus.
(2) Pumba allikas on väline ergutusallikas, mis põhjustab töötava aine populatsiooni inversioonijaotuse saavutamise. Pumba allika toimel Ni> Ni, mille tulemuseks on stimuleeritud emissioon, mis on suurem kui stimuleeritud neeldumine, võimendades seega valgust.
(3) Optiline resonaator: aktiveeriv aine võib ainult valgust võimendada. Ainult aktiveeriva aine paigutamisega optilisse resonaatorisse, et anda vajalik tagasiside ning valida valguse sagedus ja suund, on võimalik saavutada pidev valguse võimendus ja laservõnkumine. Aktiveeriv aine ja optiline resonaator on laservõnke tekitamiseks vajalikud tingimused.
1) Optilise resonantsi õõnsuse struktuur. Optilise resonantsi õõnsuse struktuur on näidatud joonisel 3-4. Asetades kaks paralleelset peeglit, M1 ja M2, mille peegelduskoefitsiendid on vastavalt r1 ja r2, sobivatesse kohtadesse aktiveeriva materjali mõlemas otsas, moodustub kõige lihtsam optiline resonantsõõnsus, mida nimetatakse ka Fabry-Perot' õõnsuseks või FP õõnsuseks.
Kui peeglid on tasapinnalised peeglid, nimetatakse seda tasapinnaliseks õõnsuks; kui peeglid on sfäärilised peeglid, nimetatakse seda sfääriliseks õõnsuks. Kahest peeglist peab üks valgust täielikult peegeldama, teine aga osaliselt.
Joonis 3-4 Optilise resonantsi õõnsuse struktuur
2) Laseri genereerimise võnkeprotsess resonantsõõnes. Laseri skemaatiline diagramm on näidatud joonisel 3-5. Kui töökeskkond saavutab pumbaallika toimel populatsiooni inversiooni, tekib spontaanne emissioon. Kui spontaanse emissiooni suund ei ole paralleelne optilise resonantsõõnsuse teljega, peegeldub see resonantsõõnsusest välja. Ainult resonantsõõnsuse teljega paralleelne spontaanne emissioon saab eksisteerida ja jätkuda edasi. Kui see puutub kokku kõrgema energiatasemega osakesega, kutsub see esile stimuleeritud ülemineku, kiirgades identset footoni üleminekul kõrgemalt energiatasemelt madalamale energiatasemele – see on stimuleeritud emissioon. Kui stimuleeritud emissioonivalgus peegeldub üks kord resonantsõõnsuses edasi-tagasi ja faasimuutus on täpselt 2π täisarv, tugevdavad mitmed samas suunas levivad stimuleeritud emissioonituled üksteist, tekitades resonantsi. Pärast teatud intensiivsuse saavutamist edastatakse see läbi osalise peegli M2, moodustades sirge laserkiire. Kui tasakaal on saavutatud, tühistab stimuleeritud emissioonivalgusega võimendatud energia iga edasi-tagasi reisi ajal resonantsõõnsuses tarbitud energia täpselt, sel hetkel säilitab laser stabiilse väljundi.
Joonis 3-5 Laseri skemaatiline diagramm
3) Optilise resonantsõõne resonantsseisund ja resonantssagedus. Olgu resonantsõõne pikkus L, siis resonantsõõnsuse resonantstingimus on:
Valemis c on valguse kiirus vaakumis; λ on laseri lainepikkus; n on aktiveeriva materjali murdumisnäitaja; L on optilise resonantsi õõnsuse õõnsuse pikkus; ja on pikisuunaline režiimi number,=1, 2, 3.
Resonantsõõnsus annab positiivse tagasiside ainult valguslaine rahuldava võrrandi (3-1) lainepikkusele või valguslaineid rahuldava võrrandi (3-2) sagedusele, pannes need õõnsuses üksteist tugevdama ja resoneerima, moodustades laservalguse.
Kuna stimuleeritud emissioonivalgus moodustab piki õõnsuse telge (pikisuunas) ainult seisulaineid, nimetatakse neid pikirežiimideks (erinevad režiimid vastavad erinevatele väljajaotustele).
4) Võnkumise lävitingimus. Minimaalset võimenduse piiri, mille juures laser suudab tekitada laservõnkumist, nimetatakse laseri lävitingimuseks (F-P õõnsusel on kadusid ning ka valguse peegeldus ja murdumine peeglitest tarbivad pidevalt footoneid). Kui Gu esindab läve võimenduskoefitsienti, siis on võnke lävitingimus:
Valemis on optilise resonantsi õõnsuse aktiivse materjali kadude koefitsient; L on optilise resonantsi õõnsuse õõnsuse pikkus; ja ja on optilise resonantsõõnsuse kahe peegli peegelduskoefitsiendid.
