Lichtquellen ermöglichen die Umwandlung von elektrischen Signalen inoptische Signaleund sind Kernkomponenten optischer Sender und faseroptischer Kommunikationssysteme. Ihre Leistung wirkt sich direkt auf die Leistungs- und Qualitätsindikatoren des Glasfaserkommunikationssystems aus. In diesem Abschnitt werden hauptsächlich die Struktur, das Funktionsprinzip und die damit verbundenen Eigenschaften von zwei Arten von Lichtquellen vorgestellt: Laserdioden (LDs, auch als Laser bekannt) und Leuchtdioden (LEDs) sowie deren technische Spezifikationen.
Mehrere physikalische Konzepte im Zusammenhang mit Lasern
Das Konzept der Photonen
Einsteins Quantentheorie des Lichts besagt, dass Licht aus Photonen mit Energie bestehthf, wobei h=6.628 × 10⁻13J·s, bekannt als Plancksches Wirkungsquantum, und f ist die Frequenz der Lichtwelle. Diese Photonen werden Photonen genannt.
Wenn Licht mit Materie interagiert, wird die Energie des Photons als Ganzes absorbiert oder emittiert, was die Wellen-{0}Teilchen-Dualitätstheorie des Lichts begründet.
Atomenergieniveau
In Halbleiterkristallen überlappen sich die Bahnen der Elektronen außerhalb der Atomkerne aufgrund der gemeinsamen Bewegung benachbarter Atome unterschiedlich stark. Wie in Abbildung 3-1 dargestellt, gehören die Energieniveaus im Kristall nicht mehr zu einem einzelnen Atom; Sie können sich über einen größeren Bereich bewegen, sogar über den gesamten Kristall. Mit anderen Worten: Die ursprünglichen Energieniveaus wurden in Energiebänder umgewandelt. Das durch die äußersten Energieniveaus gebildete Energieband wird als Leitungsband bezeichnet, die inneren Energiebänder als Valenzband. In den Abständen dazwischen existieren keine Elektronen; Dieses Intervall wird Bandlücke genannt.
Abbildung 3-1 Energieniveaus in einem Kristall
Drei Arten der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie
Die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie lässt sich auf die Wechselwirkung zwischen Licht und Atomen reduzieren und umfasst drei physikalische Prozesse: stimulierte Absorption, spontane Emission und stimulierte Emission. Die Energieniveaus und elektronischen Übergänge dieser drei Wechselwirkungsmodi sind in Abbildung 3-2 dargestellt.
Abbildung 3-2 Energieniveaus und elektronische Übergänge in drei Wechselwirkungsmodi zwischen Licht und Materie.
1) Unter normalen Bedingungen befinden sich Elektronen normalerweise auf einem niedrigen Energieniveau Ea. Unter dem Einfluss von einfallendem Licht absorbieren Elektronen die Energie des Photons und gehen in ein hohes Energieniveau E über2, wodurch ein Fotostrom erzeugt wird. Dieser Übergang wird stimulierte Absorption genannt. Dies ist das Funktionsprinzip eines Fotodetektors.
2) Elektronen im Hochenergieniveau E2sind instabil. Auch ohne äußere Krafteinwirkung gehen sie spontan in das niedrige Energieniveau E übera, rekombinieren mit Löchern und setzen Energie frei, die in Photonen umgewandelt wird, die nach außen abgestrahlt werden. Dieser Übergang wird spontane Emission genannt. Dies ist das Funktionsprinzip einer Leuchtdiode (LED). Spontan emittiertes Licht ist inkohärentes Licht.
3) Wenn ein Elektron im hohen Energieniveau Eawird von einem externen Photon mit der Energie h angeregtf, wird es gezwungen, in das niedrige Energieniveau E überzugehena, rekombinieren mit Löchern und setzen gleichzeitig ein Photon mit derselben Frequenz, Phase und Richtung wie das Anregungslicht frei (ein sogenanntes identisches Photon).
Da dieser Prozess durch die Anregung eines externen Photons erzeugt wird, wird dieser Übergang als stimulierte Emission bezeichnet. Dies ist das Funktionsprinzip eines Lasers. Stimuliertes Emissionslicht ist kohärentes Licht.
Populationsinversion und Lichtverstärkung
Stimulierte Emission ist der Schlüssel zur Lasererzeugung. Die Teilchendichte auf dem niedrigeren Energieniveau sei N und die Teilchendichte auf dem höheren Energieniveau sei N². Unter normalen Bedingungen ist N > N², was bedeutet, dass die stimulierte Absorption immer die stimulierte Emission übersteigt; das heißt, im thermischen Gleichgewicht kann Materie Licht nicht verstärken.
Damit Materie Licht verstärkt, muss die stimulierte Emission die stimulierte Absorption übersteigen, selbst wenn N² > N (die Anzahl der Elektronen bei höheren Energieniveaus ist größer als die Anzahl bei niedrigeren Energieniveaus). Diese abnormale Verteilung der Teilchenzahlen wird als Populationsinversion bezeichnet.
Die Populationsinversion ist die Grundvoraussetzung dafür, dass eine Substanz Lichtverstärkung erzeugt und Licht emittiert.
Halbleiter mit direkter und indirekter Bandlücke
Bei der stimulierten Emission von Licht müssen Energie und Impuls erhalten bleiben. Die Form der Bandlücke hängt mit dem Impuls zusammen; Basierend auf der Form der Bandlücke können Halbleiter in Typen mit direkter Bandlücke und indirekter Bandlücke unterteilt werden, wie in Abbildung 3-3 dargestellt. In Halbleitern mit direkter Bandlücke haben das minimale Energieniveau des Leitungsbandes und das maximale Energieniveau des Valenzbandes den gleichen Impuls, und die Elektronen bewegen sich vertikal, was zu einer hohen Lichtausbeute führt, wie in Abbildung 3-3a dargestellt. In Halbleitern mit indirekter Bandlücke müssen andere Teilchen teilnehmen, um die Impulserhaltung für Elektronenübergänge aufrechtzuerhalten, wie in Abbildung 3-3b dargestellt. Zur Herstellung lichtemittierender Geräte können nur Halbleitermaterialien mit direkter Bandlücke verwendet werden. Zu diesen Materialien gehören GaAs, AlGaAs, InP und InGaAsP.
Abbildung 3-3 Halbleiter mit direkter und indirekter Bandlücke
Laserprinzip
Ein Halbleiterlaser ist ein Laser, der Halbleitermaterialien als aktives Medium verwendet; er wird auch als Halbleiterlaser-Selbstoszillator bezeichnet.
Damit ein Laser Laserlicht emittieren kann, müssen die folgenden drei Bedingungen erfüllt sein: Es muss eine Arbeitssubstanz (auch Aktivierungssubstanz genannt) vorhanden sein, die Laserlicht erzeugen kann; Es muss eine Anregungsquelle (auch Pumpquelle genannt) vorhanden sein, die in der Lage ist, den Arbeitsstoff in einen Besetzungsinversionszustand zu versetzen. und es muss ein optischer Resonator vorhanden sein, der in der Lage ist, Frequenzauswahl und Rückkopplung durchzuführen.
(1) Der Arbeitsstoff, der Laserlicht erzeugen kann, ist der Stoff, der eine Populationsinversionsverteilung erreichen kann. Sobald die Arbeitssubstanz aktiviert ist, wird sie als Aktivierungssubstanz oder Verstärkungssubstanz bezeichnet und ist eine notwendige Voraussetzung für die Lasererzeugung.
(2) Die Pumpquelle ist eine externe Anregungsquelle, die bewirkt, dass der Arbeitsstoff eine Populationsinversionsverteilung erreicht. Unter der Wirkung der Pumpquelle, Ni> NiDies führt zu einer stärkeren stimulierten Emission als zu einer stärkeren stimulierten Absorption, wodurch das Licht verstärkt wird.
(3) Der optische Resonator: Die aktivierende Substanz kann das Licht nur verstärken. Nur durch die Platzierung der aktivierenden Substanz in einem optischen Resonator, um die notwendige Rückkopplung bereitzustellen und die Frequenz und Richtung des Lichts auszuwählen, kann eine kontinuierliche Lichtverstärkung und Laseroszillationsleistung erzielt werden. Die aktivierende Substanz und der optische Resonator sind notwendige Voraussetzungen für die Erzeugung einer Laserschwingung.
1) Struktur eines optischen Hohlraumresonators. Die Struktur eines optischen Hohlraumresonators ist in Abbildung 3-4 dargestellt. Durch die Platzierung zweier paralleler Spiegel M1 und M2 mit den Reflexionskoeffizienten r1 bzw. r2 an geeigneten Positionen an beiden Enden des Aktivierungsmaterials wird der einfachste optische Resonanzhohlraum gebildet, der auch Fabry-Perot-Hohlraum oder FP-Hohlraum genannt wird.
Wenn es sich bei den Spiegeln um ebene Spiegel handelt, spricht man von einem ebenen Hohlraum; Handelt es sich bei den Spiegeln um sphärische Spiegel, spricht man von einem sphärischen Hohlraum. Von den beiden Spiegeln muss einer das Licht vollständig reflektieren können, der andere muss das Licht teilweise reflektieren können.
Abbildung 3-4 Struktur eines optischen Hohlraumresonators
2) Der Schwingungsprozess der Lasererzeugung in einem Resonanzhohlraum. Ein schematisches Diagramm eines Lasers ist in Abbildung 3-5 dargestellt. Wenn das Arbeitsmedium unter der Wirkung der Pumpquelle eine Besetzungsumkehr erreicht, wird eine spontane Emission erzeugt. Wenn die Richtung der spontanen Emission nicht parallel zur Achse des optischen Hohlraumresonators verläuft, wird sie aus dem Hohlraumresonator reflektiert. Es kann nur eine spontane Emission parallel zur Achse des Resonanzhohlraums existieren und sich vorwärts fortsetzen. Wenn es auf ein Teilchen mit einem höheren Energieniveau trifft, löst es einen stimulierten Übergang aus und emittiert beim Übergang vom höheren Energieniveau zum niedrigeren Energieniveau ein identisches Photon – dies ist die stimulierte Emission. Wenn das stimulierte Emissionslicht innerhalb des Resonanzhohlraums einmal hin und her reflektiert wird und die Phasenänderung genau ein ganzzahliges Vielfaches von 2π ist, verstärken sich mehrere stimulierte Emissionslichter, die sich in die gleiche Richtung ausbreiten, gegenseitig und erzeugen Resonanz. Nach Erreichen einer bestimmten Intensität wird es durch den Teilspiegel M2 übertragen und bildet einen geraden Laserstrahl. Wenn das Gleichgewicht erreicht ist, gleicht die durch das stimulierte Emissionslicht während jedes Umlaufs innerhalb des Resonanzhohlraums verstärkte Energie die verbrauchte Energie genau aus, woraufhin der Laser eine stabile Ausgangsleistung beibehält.
Abbildung 3-5 Schematische Darstellung des Lasers
3) Resonanzzustand und Resonanzfrequenz eines optischen Hohlraumresonators. Sei die Länge des Resonanzhohlraums L, dann ist die Resonanzbedingung des Resonanzhohlraums:
In der Formel ist c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum; λ ist die Laserwellenlänge; n ist der Brechungsindex des aktivierenden Materials; L ist die Hohlraumlänge des optischen Hohlraumresonators; und ist die Longitudinalmodenzahl,=1, 2, 3.
Der Resonanzhohlraum liefert eine positive Rückkopplung nur für die Wellenlänge der Lichtwelle, die Gleichung (3-1) erfüllt, oder die Frequenz der Lichtwelle, die Gleichung (3-2) erfüllt, wodurch sie sich innerhalb des Hohlraums gegenseitig verstärken und in Resonanz treten, um Laserlicht zu bilden.
Da stimuliertes Emissionslicht nur stehende Wellen entlang der Hohlraumachse (Längsrichtung) bildet, werden diese als Longitudinalmoden bezeichnet (verschiedene Moden entsprechen unterschiedlichen Feldverteilungen).
4) Schwellenwertbedingung für Oszillation. Die minimale Verstärkungsgrenze, bei der ein Laser eine Laseroszillation erzeugen kann, wird als Schwellenwertbedingung des Lasers bezeichnet (F-P-Hohlraum weist Verluste auf, und Lichtreflexion und -brechung von Spiegeln verbrauchen ebenfalls kontinuierlich Photonen). Wenn Gu den Schwellenwertverstärkungskoeffizienten darstellt, dann ist die Schwellenwertbedingung für die Schwingung:
In der Formel ist der Verlustkoeffizient des aktiven Materials im optischen Hohlraumresonator; L ist die Hohlraumlänge des optischen Hohlraumresonators; und und sind die Reflexionskoeffizienten der beiden Spiegel des optischen Hohlraumresonators.
