Sorsi tad-dawl jippermettu l-konverżjoni minn sinjali elettriċi għalsinjali ottiċiu huma komponenti ewlenin ta 'trasmettituri ottiċi u sistemi ta' komunikazzjoni tal-fibra ottika. Il-prestazzjoni tagħhom taffettwa direttament l-indikaturi tal-prestazzjoni u l-kwalità tas-sistema tal-komunikazzjoni tal-fibra ottika. Din it-taqsima tintroduċi prinċipalment l-istruttura, il-prinċipju tax-xogħol, u l-karatteristiċi relatati ta 'żewġ tipi ta' sorsi tad-dawl: dajowds tal-lejżer (LDs, magħrufa wkoll bħala lejżers) u dajowds li jarmu d-dawl (LEDs), u tipprovdi l-ispeċifikazzjonijiet tekniċi tagħhom.
Diversi kunċetti fiżiċi relatati mal-lejżers
Il-kunċett ta 'fotoni
It-teorija quantum ta 'Einstein tad-dawl tiddikjara li d-dawl huwa magħmul minn fotoni bl-enerġijahf, fejn h=6.628 × 10⁻13J·s, magħrufa bħala l-kostanti ta' Planck, u f hija l-frekwenza tal-mewġ tad-dawl. Dawn il-fotoni jissejħu fotoni.
Meta d-dawl jinteraġixxi mal-materja, l-enerġija tal-foton tiġi assorbita jew emessa kollha kemm hi, u tistabbilixxi t-teorija tad-dawl tal-mewġ-duwalità tal-partiċelli.
Livell ta' enerġija atomika
Fil-kristalli semikondutturi, l-orbiti ta 'elettroni barra n-nuklei atomiċi jikkoinċidu fi gradi differenti minħabba l-moviment kondiviż ta' atomi ħdejn xulxin. Kif muri fil-Figura 3-1, il-livelli ta 'enerġija fil-kristall m'għadhomx jappartjenu għal xi atomu wieħed; jistgħu jimxu fuq żona usa ', anke matul il-kristall kollu. Fi kliem ieħor, il-livelli ta 'enerġija oriġinali ġew trasformati fi meded ta' enerġija. Il-faxxa tal-enerġija ffurmata mill-livelli ta 'enerġija l-aktar 'il barra tissejjaħ il-faxxa tal-konduzzjoni, u l-meded ta' enerġija ta 'ġewwa jissejħu l-faxxa ta' valenza. L-ebda elettroni ma jeżistu fl-intervalli bejniethom; dan l-intervall jissejjaħ il-band gap.
Figura 3-1 Livelli ta' enerġija fi kristall
Tliet modi ta 'interazzjoni bejn id-dawl u l-materja
L-interazzjoni bejn id-dawl u l-materja tista 'titnaqqas għall-interazzjoni bejn id-dawl u l-atomi, inklużi tliet proċessi fiżiċi: assorbiment stimulat, emissjoni spontanja, u emissjoni stimulata. Il-livelli tal-enerġija u t-tranżizzjonijiet elettroniċi ta 'dawn it-tliet modi ta' interazzjoni huma murija fil-Figura 3-2.
Figura 3-2 Livelli ta' enerġija u tranżizzjonijiet elettroniċi fi tliet modi ta' interazzjoni bejn id-dawl u l-materja.
1) Taħt kundizzjonijiet normali, l-elettroni huma ġeneralment f'livell baxx ta 'enerġija Ea. Taħt l-influwenza tad-dawl inċidentali, l-elettroni jassorbu l-enerġija tal-foton u t-tranżizzjoni għal livell għoli ta 'enerġija E2, jiġġenera fotokurrent. Din it-tranżizzjoni tissejjaħ assorbiment stimulat. Dan huwa l-prinċipju ta 'ħidma ta' photodetector.
2) Elettroni fil-livell għoli ta 'enerġija E2huma instabbli. Anke mingħajr forza esterna, spontanjament se jgħaddu għal-livell baxx ta 'enerġija Ea, jerġgħu jikkombinaw ma 'toqob, u rilaxx enerġija konvertita fotoni li huma rradjati 'l barra. Din it-tranżizzjoni tissejjaħ emissjoni spontanja. Dan huwa l-prinċipju ta' ħidma ta' dajowd li jarmi d-dawl (LED). Id-dawl emess b'mod spontanju huwa dawl inkoerenti.
3) Meta elettron fil-livell għoli ta 'enerġija Eahuwa eċitat minn foton estern b'enerġija hf, huwa sfurzat li jgħaddi għal-livell baxx ta 'enerġija Ea, jerġa 'jikkombina b'toqob, u simultanjament jirrilaxxa foton bl-istess frekwenza, fażi, u direzzjoni bħad-dawl ta' eċċitazzjoni (imsejjaħ foton identiku).
Peress li dan il-proċess huwa ġġenerat taħt l-eċitazzjoni ta 'foton estern, din it-tranżizzjoni tissejjaħ emissjoni stimulata. Dan huwa l-prinċipju ta 'ħidma ta' laser. Dawl ta 'emissjoni stimulata huwa dawl koerenti.
Inverżjoni tal-popolazzjoni u amplifikazzjoni tad-dawl
L-emissjoni stimulata hija essenzjali għall-ġenerazzjoni tal-lejżer. Ħalli d-densità tal-partiċelli fil-livell ta 'enerġija aktar baxx tkun N, u d-densità tal-partiċelli fil-livell ta' enerġija ogħla tkun N². Taħt kundizzjonijiet normali, N > N², jiġifieri l-assorbiment stimulat dejjem jaqbeż l-emissjoni stimulata; jiġifieri, taħt ekwilibriju termali, il-materja ma tistax tamplifika d-dawl.
Biex il-materja tkabbar id-dawl, l-emissjoni stimulata għandha taqbeż l-assorbiment stimulat, anki jekk N² > N (in-numru ta 'elettroni f'livelli ogħla ta' enerġija huwa akbar min-numru f'livelli ta 'enerġija aktar baxxi). Din id-distribuzzjoni anormali tan-numri tal-partiċelli tissejjaħ inverżjoni tal-popolazzjoni.
L-inverżjoni tal-popolazzjoni hija l-kundizzjoni primarja biex sustanza tipproduċi amplifikazzjoni tad-dawl u temetti d-dawl.
Semikondutturi bandgap dirett u bandgap indirett
Fl-emissjoni stimulata tad-dawl, l-enerġija u l-momentum għandhom jiġu kkonservati. Il-forma tad-distakk tal-medda hija relatata mal-momentum; ibbażat fuq il-forma tal-faxxa tal-faxxa, is-semikondutturi jistgħu jinqasmu f'tipi ta 'distakk tal-faxxa diretta u tipi ta' qasma tal-faxxa indiretta, kif muri fil-Figura 3-3. Fis-semikondutturi diretti tal-faxxa tal-faxxa, il-livell minimu tal-enerġija tal-faxxa tal-konduzzjoni u l-livell massimu tal-enerġija tal-faxxa ta 'valenza għandhom l-istess momentum, u l-elettroni transizzjoni vertikalment, li jirriżulta f'effiċjenza luminuża għolja, kif muri fil-Figura 3-3a. F'semikondutturi tal-band gap indiretti, partiċelli oħra għandhom jipparteċipaw biex iżommu konservazzjoni tal-momentum għat-tranżizzjonijiet tal-elettroni, kif muri fil-Figura 3-3b. Materjali semikondutturi diretti band gap biss jistgħu jintużaw biex jiffabbrikaw apparati li jarmu d-dawl; dawn il-materjali jinkludu GaAs, AlGaAs, InP, u InGaAsP.
Figura 3-3 Semikondutturi bandgap dirett u bandgap indirett
Prinċipju tal-lejżer
Lejżer semikonduttur huwa laser li juża materjali semikondutturi bħala l-mezz attiv tiegħu; jissejjaħ ukoll oxxillatur tal-lejżer semikonduttur awto-.
Biex lejżer jarmi d-dawl tal-lejżer, iridu jiġu sodisfatti t-tliet kundizzjonijiet li ġejjin: għandu jkun hemm sustanza li taħdem (imsejħa wkoll sustanza attivanti) kapaċi tiġġenera dawl tal-lejżer; għandu jkun hemm sors ta 'eċċitazzjoni (imsejjaħ ukoll sors ta' pompa) li kapaċi jpoġġi s-sustanza tax-xogħol fi stat ta 'inverżjoni tal-popolazzjoni; u għandu jkun hemm resonator ottiku kapaċi jwettaq għażla ta 'frekwenza u feedback.
(1) Is-sustanza tax-xogħol kapaċi li tiġġenera dawl tal-lejżer hija s-sustanza li tista 'tikseb distribuzzjoni ta' inverżjoni tal-popolazzjoni. Ladarba attivata, is-sustanza tax-xogħol tissejjaħ is-sustanza attivanti jew is-sustanza tal-qligħ, u hija kundizzjoni meħtieġa għall-ġenerazzjoni tal-laser.
(2) Is-sors tal-pompa huwa sors ta 'eċċitazzjoni estern li jikkawża li s-sustanza tax-xogħol tikseb distribuzzjoni ta' inverżjoni tal-popolazzjoni. Taħt l-azzjoni tas-sors tal-pompa, Ni> Ni, li jirriżulta f'emissjoni stimulata akbar minn assorbiment stimulat, u b'hekk jamplifika d-dawl.
(3) Ir-resonatur ottiku: Is-sustanza attivanti tista 'biss tkabbar id-dawl. Biss billi titqiegħed is-sustanza attivanti f'resonatur ottiku biex tipprovdi feedback meħtieġ u tagħżel il-frekwenza u d-direzzjoni tad-dawl tista 'tinkiseb amplifikazzjoni tad-dawl kontinwu u output ta' oxxillazzjoni tal-lejżer. Is-sustanza attivanti u r-resonatur ottiku huma kundizzjonijiet meħtieġa għall-ġenerazzjoni tal-oxxillazzjoni tal-lejżer.
1) Struttura ta 'kavità reżonanti ottika. L-istruttura ta' kavità reżonanti ottika tidher fil-Figura 3-4. Bit-tqegħid ta 'żewġ mirja paralleli, M1 u M2, b'koeffiċjenti ta' riflessjoni r1 u r2 rispettivament, f'pożizzjonijiet xierqa fiż-żewġt itruf tal-materjal ta 'attivazzjoni, tiġi ffurmata l-aktar kavità reżonanti ottika sempliċi, imsejħa wkoll kavità Fabry-Perot jew kavità FP.
Jekk il-mirja huma mirja pjani, tissejjaħ kavità pjan; jekk il-mirja huma mirja sferiċi, tissejjaħ kavità sferika. Miż-żewġ mirja, wieħed irid ikun kapaċi jirrifletti d-dawl kompletament, u l-ieħor għandu jkun kapaċi jirrifletti parzjalment.
Figura 3-4 Struttura ta' kavità reżonanti ottika
2) Il-proċess ta 'oxxillazzjoni tal-ġenerazzjoni tal-lejżer f'kavità reżonanti. Dijagramma skematika ta' lejżer tidher fil-Figura 3-5. Meta l-mezz tax-xogħol jikseb inverżjoni tal-popolazzjoni taħt l-azzjoni tas-sors tal-pompa, tiġi ġġenerata emissjoni spontanja. Jekk id-direzzjoni tal-emissjoni spontanja mhix parallela mal-assi tal-kavità reżonanti ottika, hija riflessa barra mill-kavità reżonanti. Emissjoni spontanja biss parallela għall-assi tal-kavità reżonanti tista 'teżisti u tkompli 'l quddiem. Meta tiltaqa 'ma' partiċelli f'livell ogħla ta 'enerġija, jinduċi transizzjoni stimulata, li jarmu foton identiku fit-tranżizzjoni mill-livell ta' enerġija ogħla għal-livell ta 'enerġija aktar baxx-din hija emissjoni stimulata. Meta d-dawl ta 'emissjoni stimulat jirrifletti 'l quddiem u lura darba fil-kavità reżonanti, u l-bidla tal-fażi hija eżattament multiplu sħiħ ta' 2π, diversi dwal ta 'emissjoni stimulati li jippropagaw fl-istess direzzjoni jsaħħu lil xulxin, u jipproduċu reżonanza. Wara li tilħaq ċerta intensità, hija trażmessa permezz ta 'mera parzjali M2, li tifforma raġġ tal-laser dritta. Meta jintlaħaq l-ekwilibriju, l-enerġija amplifikata mid-dawl ta 'emissjoni stimulata matul kull vjaġġ bir-ritorn fi ħdan il-kavità reżonanti tikkanċella eżattament l-enerġija kkunsmata, f'liema punt il-laser iżomm output stabbli.
Figura 3-5 Dijagramma skematika tal-lejżer
3) Kondizzjoni ta 'reżonanza u frekwenza reżonanti ta' kavità reżonanti ottika. Ħalli t-tul tal-kavità reżonanti jkun L, allura l-kundizzjoni tar-reżonanza tal-kavità reżonanti hija:
Fil-formula, c hija l-veloċità tad-dawl fil-vakwu; λ huwa l-wavelength tal-lejżer; n huwa l-indiċi refrattiv tal-materjal li jattiva; L huwa t-tul tal-kavità tal-kavità reżonanti ottika; u huwa n-numru tal-modalità lonġitudinali,=1, 2, 3.
Il-kavità reżonanti tipprovdi feedback pożittiv biss għall-wavelength tal-ekwazzjoni li tissodisfa l-mewġ tad-dawl (3-1) jew il-frekwenza tal-ekwazzjoni li tissodisfa l-mewġ tad-dawl (3-2), li tikkawżahom isaħħu lil xulxin fi ħdan il-kavità u jirresonaw biex jiffurmaw dawl tal-lejżer.
Peress li d-dawl ta 'emissjoni stimulat jifforma biss mewġ wieqfa tul l-assi tal-kavità (direzzjoni lonġitudinali), dawn jissejħu modi lonġitudinali (modi differenti jikkorrispondu għal distribuzzjonijiet differenti tal-kamp).
4) Kondizzjoni tal-limitu għall-oxxillazzjoni. Il-limitu minimu ta 'qligħ li fih laser jista' jipproduċi oxxillazzjoni tal-lejżer jissejjaħ il-kundizzjoni tal-limitu tal-laser (il-kavità F-P għandha telf, u r-riflessjoni tad-dawl u r-rifrazzjoni mill-mirja wkoll jikkunsmaw il-fotoni kontinwament). Jekk Gu jirrappreżenta l-koeffiċjent tal-gwadann tal-limitu, allura l-kundizzjoni tal-limitu għall-oxxillazzjoni hija:
Fil-formula, huwa l-koeffiċjent tat-telf tal-materjal attiv fil-kavità reżonanti ottika; L huwa t-tul tal-kavità tal-kavità reżonanti ottika; u u huma l-koeffiċjenti ta' riflessjoni taż-żewġ mirja tal-kavità reżonanti ottika.
