Izvori svjetlosti omogućuju pretvorbu električnih signala uoptički signalite su osnovne komponente optičkih odašiljača i optičkih komunikacijskih sustava. Njihova izvedba izravno utječe na performanse i pokazatelje kvalitete optičkog komunikacijskog sustava. Ovaj odjeljak uglavnom predstavlja strukturu, princip rada i srodne karakteristike dviju vrsta izvora svjetlosti: laserske diode (LD, poznate i kao laseri) i svjetlo{2}}diode (LED), te daje njihove tehničke specifikacije.
Nekoliko fizikalnih koncepata vezanih uz lasere
Pojam fotona
Einsteinova kvantna teorija svjetlosti kaže da je svjetlost sastavljena od fotona s energijomhf, gdje je h=6.628 × 10⁻13J·s, poznata kao Planckova konstanta, a f je frekvencija svjetlosnog vala. Ti se fotoni nazivaju fotoni.
Kada svjetlost stupa u interakciju s materijom, energija fotona se apsorbira ili emitira kao cjelina, uspostavljajući teoriju valne-čestične dualnosti svjetlosti.
Razina atomske energije
U poluvodičkim kristalima, orbite elektrona izvan atomskih jezgri preklapaju se u različitim stupnjevima zbog zajedničkog gibanja susjednih atoma. Kao što je prikazano na slici 3-1, energetske razine u kristalu više ne pripadaju niti jednom atomu; mogu se kretati širim područjem, čak i cijelim kristalom. Drugim riječima, izvorne energetske razine transformirane su u energetske vrpce. Energetski pojas koji čine krajnje vanjske energetske razine naziva se vodljivi pojas, a unutarnji energetski pojas naziva se valentni pojas. U intervalima između njih ne postoje elektroni; taj se interval naziva zabranjeni pojas.
Slika 3-1 Razine energije u kristalu
Tri načina interakcije između svjetla i materije
Interakcija između svjetlosti i materije može se svesti na interakciju između svjetlosti i atoma, uključujući tri fizikalna procesa: stimuliranu apsorpciju, spontanu emisiju i stimuliranu emisiju. Razine energije i elektronički prijelazi ova tri načina interakcije prikazani su na slici 3-2.
Slika 3-2 Energetske razine i elektronički prijelazi u tri načina interakcije između svjetlosti i materije.
1) U normalnim uvjetima, elektroni su obično na niskoj energetskoj razini Ea. Pod utjecajem upadne svjetlosti elektroni apsorbiraju energiju fotona i prelaze na visoku energetsku razinu E2, stvarajući fotostruju. Ovaj prijelaz naziva se stimulirana apsorpcija. Ovo je princip rada fotodetektora.
2) Elektroni na visokoj energetskoj razini E2su nestabilni. Čak i bez vanjske sile, oni će spontano prijeći na nisku energetsku razinu Ea, rekombiniraju se s rupama i oslobađaju energiju pretvorenu u fotone koji se zrače prema van. Taj se prijelaz naziva spontana emisija. Ovo je princip rada svjetleće-diode (LED). Spontano emitirana svjetlost je nekoherentna svjetlost.
3) Kada je elektron na visokoj energetskoj razini Eapobuđuje vanjski foton s energijom hf, prisiljen je prijeći na nisku energetsku razinu Ea, rekombiniraju se s rupama i istovremeno oslobađaju foton s istom frekvencijom, fazom i smjerom kao i pobudna svjetlost (naziva se identičnim fotonom).
Budući da se ovaj proces generira ekscitacijom vanjskog fotona, ovaj se prijelaz naziva stimulirana emisija. Ovo je princip rada lasera. Svjetlost stimulirane emisije je koherentna svjetlost.
Inverzija naseljenosti i pojačanje svjetla
Stimulirana emisija ključna je za lasersko generiranje. Neka je gustoća čestica na nižoj energetskoj razini N, a gustoća čestica na višoj energetskoj razini N². Pod normalnim uvjetima, N > N², što znači da stimulirana apsorpcija uvijek premašuje stimuliranu emisiju; odnosno u toplinskoj ravnoteži materija ne može pojačati svjetlost.
Da bi materija pojačala svjetlost, stimulirana emisija mora premašiti stimuliranu apsorpciju, čak i ako je N² > N (broj elektrona na višim razinama energije veći je od broja na nižim razinama energije). Ova abnormalna raspodjela broja čestica naziva se inverzija naseljenosti.
Inverzija naseljenosti primarni je uvjet da tvar proizvede pojačanje svjetlosti i emitira svjetlost.
Poluvodiči s izravnim i neizravnim zabranjenim pojasom
U stimuliranoj emisiji svjetlosti, energija i zamah moraju biti sačuvani. Oblik zabranjenog pojasa povezan je s količinom gibanja; na temelju oblika zabranjenog pojasa, poluvodiči se mogu podijeliti na izravne i neizravne vrste zabranjenog pojasa, kao što je prikazano na slici 3-3. U poluvodičima s izravnim zabranjenim pojasom minimalna razina energije vodljivog pojasa i maksimalna energetska razina valentnog pojasa imaju isti moment, a elektroni prelaze okomito, što rezultira visokom svjetlosnom učinkovitošću, kao što je prikazano na slici 3-3a. U poluvodičima s neizravnim zabranjenim pojasom, druge čestice moraju sudjelovati kako bi održale očuvanje impulsa za prijelaze elektrona, kao što je prikazano na slici 3-3b. Samo poluvodički materijali s izravnim razmakom mogu se koristiti za izradu uređaja koji emitiraju svjetlost; ovi materijali uključuju GaAs, AlGaAs, InP i InGaAsP.
Slika 3-3 Poluvodiči s izravnim i neizravnim razmakom pojasa
Laserski princip
Poluvodički laser je laser koji koristi poluvodičke materijale kao aktivni medij; naziva se i poluvodički laserski auto-oscilator.
Da bi laser emitirao lasersko svjetlo, moraju biti ispunjena sljedeća tri uvjeta: mora postojati radna tvar (koja se naziva i aktivacijska tvar) koja može generirati lasersku svjetlost; mora postojati izvor pobude (također nazvan izvor pumpe) koji može staviti radnu tvar u stanje inverzije naseljenosti; i mora postojati optički rezonator sposoban vršiti selekciju frekvencije i povratnu spregu.
(1) Radna tvar koja može generirati lasersko svjetlo je tvar koja može postići distribuciju inverzije stanovništva. Jednom aktivirana radna tvar naziva se aktivacijska tvar ili tvar za dobivanje i nužan je uvjet za generiranje lasera.
(2) Izvor pumpe je vanjski izvor pobude koji uzrokuje da radna tvar postigne distribuciju inverzije naseljenosti. Pod djelovanjem izvora pumpe, Ni> Ni, što rezultira stimuliranom emisijom većom od stimulirane apsorpcije, čime se pojačava svjetlost.
(3) Optički rezonator: Aktivirajuća tvar može samo pojačati svjetlost. Samo postavljanjem aktivacijske tvari u optički rezonator kako bi se osigurala potrebna povratna informacija i odabrao frekvenciju i smjer svjetlosti može se postići kontinuirano pojačanje svjetlosti i izlaz laserskih oscilacija. Aktivirajuća tvar i optički rezonator su nužni uvjeti za generiranje laserskih oscilacija.
1) Struktura optičke rezonantne šupljine. Struktura optičke rezonantne šupljine prikazana je na slici 3-4. Postavljanjem dvaju paralelnih zrcala, M1 i M2, s koeficijentima refleksije r1 odnosno r2, na odgovarajućim mjestima na oba kraja aktivirajućeg materijala, formira se najjednostavnija optička rezonantna šupljina, koja se naziva i Fabry-Perotova šupljina ili FP šupljina.
Ako su zrcala ravna zrcala, to se naziva ravna šupljina; ako su zrcala sferna zrcala, to se naziva sferna šupljina. Od dva zrcala jedno mora moći reflektirati svjetlost u potpunosti, a drugo djelomično.
Slika 3-4 Struktura optičke rezonantne šupljine
2) Oscilacijski proces generiranja lasera u rezonantnoj šupljini. Shematski dijagram lasera prikazan je na slici 3-5. Kada radni medij postigne inverziju naseljenosti pod djelovanjem izvora pumpe, generira se spontana emisija. Ako smjer spontane emisije nije paralelan s osi optičke rezonantne šupljine, ona se odbija od rezonantne šupljine. Samo spontana emisija paralelna s osi rezonantne šupljine može postojati i nastaviti naprijed. Kada naiđe na česticu na višoj energetskoj razini, inducira stimulirani prijelaz, emitirajući identičan foton u prijelazu s više energetske razine na nižu energetsku razinu - to je stimulirana emisija. Kada se svjetlo stimulirane emisije reflektira naprijed-nazad unutar rezonantne šupljine, a promjena faze je točno cijeli višekratnik od 2π, nekoliko svjetala stimulirane emisije koja se šire u istom smjeru međusobno se pojačavaju, stvarajući rezonanciju. Nakon postizanja određenog intenziteta, prenosi se kroz djelomično zrcalo M2, tvoreći ravnu lasersku zraku. Kada se postigne ravnoteža, energija pojačana svjetlom stimulirane emisije tijekom svakog povratnog putovanja unutar rezonantne šupljine točno poništava potrošenu energiju, u kojoj točki laser održava stabilan izlaz.
Slika 3-5 Shematski dijagram lasera
3) Stanje rezonancije i rezonantna frekvencija optičke rezonantne šupljine. Neka duljina rezonantne šupljine bude L, tada je uvjet rezonancije rezonantne šupljine:
U formuli c je brzina svjetlosti u vakuumu; λ je valna duljina lasera; n je indeks loma aktivacijskog materijala; L je duljina šupljine optičke rezonantne šupljine; i je broj longitudinalnog načina,=1, 2, 3.
Rezonantna šupljina daje pozitivnu povratnu informaciju samo na valnu duljinu svjetlosnog vala koja zadovoljava jednadžbu (3-1) ili frekvenciju svjetlosnog vala koja zadovoljava jednadžbu (3-2), uzrokujući njihovo međusobno jačanje unutar šupljine i rezoniranje stvarajući lasersko svjetlo.
Budući da stimulirana emisija svjetlosti stvara samo stojne valove duž osi šupljine (uzdužni smjer), oni se nazivaju uzdužnim modovima (različiti modovi odgovaraju različitim distribucijama polja).
4) Uvjet praga za osciliranje. Minimalna granica pojačanja pri kojoj laser može proizvesti lasersko osciliranje naziva se stanje praga lasera (F-P šupljina ima gubitke, a refleksija i lom svjetlosti od zrcala također kontinuirano troše fotone). Ako Gu predstavlja koeficijent pojačanja praga, tada je uvjet praga za oscilaciju:
U formuli, je koeficijent gubitka aktivnog materijala u optičkoj rezonantnoj šupljini; L je duljina šupljine optičke rezonantne šupljine; i i su koeficijenti refleksije dvaju zrcala optičke rezonantne šupljine.