מקורות אור מאפשרים המרה מאותות חשמליים לאותות אופטייםומהווים מרכיבי ליבה של משדרים אופטיים ומערכות תקשורת סיבים אופטיים. הביצועים שלהם משפיעים ישירות על מדדי הביצועים והאיכות של מערכת התקשורת בסיבים אופטיים. סעיף זה מציג בעיקר את המבנה, עיקרון העבודה והמאפיינים הנלווים של שני סוגים של מקורות אור: דיודות לייזר (LDs, הידועות גם בשם לייזרים) ודיודות פולטות אור (LED), ומספק את המפרט הטכני שלהן.
מספר מושגים פיזיקליים הקשורים ללייזרים
מושג הפוטונים
תורת הקוונטים של איינשטיין אומרת שהאור מורכב מפוטונים בעלי אנרגיהhf, כאשר h=6.628 × 10⁻13J·s, הידוע כקבוע של פלאנק, ו-f הוא התדר של גל האור. פוטונים אלו נקראים פוטונים.
כאשר האור מקיים אינטראקציה עם החומר, האנרגיה של הפוטון נספגת או נפלטת כמכלול, מה שמבסס את תיאוריית דואליות החלקיקים של הגלים של האור.
רמת אנרגיה אטומית
בגבישים מוליכים למחצה, מסלולי האלקטרונים מחוץ לגרעיני האטום חופפים בדרגות שונות בשל התנועה המשותפת של אטומים סמוכים. כפי שמוצג באיור 3-1, רמות האנרגיה בגביש אינן שייכות עוד לאף אטום בודד; הם יכולים לנוע על פני שטח רחב יותר, אפילו לאורך כל הגביש. במילים אחרות, רמות האנרגיה המקוריות הפכו לרצועות אנרגיה. רצועת האנרגיה שנוצרת על ידי רמות האנרגיה החיצוניות ביותר נקראת רצועת ההולכה, ורצועות האנרגיה הפנימיות נקראות רצועת הערכיות. לא קיימים אלקטרונים במרווחים ביניהם; מרווח זה נקרא פער הלהקה.
איור 3-1 רמות אנרגיה בגביש
שלושה אופני אינטראקציה בין אור וחומר
ניתן לצמצם את האינטראקציה בין אור לחומר לאינטראקציה בין אור לאטומים, כולל שלושה תהליכים פיזיקליים: ספיגה מעוררת, פליטה ספונטנית ופליטת מגורה. רמות האנרגיה והמעברים האלקטרוניים של שלושת מצבי האינטראקציה הללו מוצגים באיור 3-2.
איור 3-2 רמות אנרגיה ומעברים אלקטרוניים בשלושה מצבי אינטראקציה בין אור וחומר.
1) בתנאים רגילים, אלקטרונים בדרך כלל ברמת אנרגיה נמוכה Ea. בהשפעת אור חודר, אלקטרונים קולטים את האנרגיה של הפוטון ועוברים לרמת אנרגיה גבוהה E2, יוצר זרם צילום. מעבר זה נקרא ספיגה מעוררת. זהו עקרון העבודה של פוטו-גלאי.
2) אלקטרונים ברמת האנרגיה הגבוהה E2אינם יציבים. גם ללא כוח חיצוני, הם יעברו באופן ספונטני לרמת האנרגיה הנמוכה Ea, מתחברים מחדש עם חורים ומשחררים אנרגיה המומרת לפוטונים שמוקרנים החוצה. מעבר זה נקרא פליטה ספונטנית. זהו עקרון העבודה של דיודה פולטת אור- (LED). אור הנפלט באופן ספונטני הוא אור לא קוהרנטי.
3) כאשר אלקטרון ברמת האנרגיה הגבוהה Eaנרגש על ידי פוטון חיצוני עם אנרגיה hf, הוא נאלץ לעבור לרמת האנרגיה הנמוכה Ea, משלבים מחדש עם חורים, ובו זמנית משחרר פוטון באותו תדר, פאזה וכיוון כמו אור העירור (נקרא פוטון זהה).
מכיוון שתהליך זה נוצר תחת עירור של פוטון חיצוני, מעבר זה נקרא פליטה מעוררת. זהו עקרון העבודה של לייזר. אור פליטה מגורה הוא אור קוהרנטי.
היפוך אוכלוסייה והגברה קלה
פליטה מעוררת היא המפתח ליצירת לייזר. תן לצפיפות החלקיקים ברמת האנרגיה הנמוכה להיות N, ולצפיפות החלקיקים ברמת האנרגיה הגבוהה תהיה N². בתנאים רגילים, N > N², כלומר קליטה מגורה תמיד עולה על הפליטה המגורה; כלומר, תחת שיווי משקל תרמי, החומר אינו יכול להגביר את האור.
כדי שחומר יגביר את האור, הפליטה המגורה חייבת לעלות על הקליטה המגורה, גם אם N² > N (מספר האלקטרונים ברמות אנרגיה גבוהות יותר גדול מהמספר ברמות אנרגיה נמוכות יותר). התפלגות חריגה זו של מספרי חלקיקים נקראת היפוך אוכלוסיה.
היפוך אוכלוסייה הוא התנאי העיקרי לחומר לייצר הגברה של אור ולפלוט אור.
מוליכים למחצה של פער-band ישיר ו-band-עקיף
בפליטת אור מגורה, יש לשמור על אנרגיה ומומנטום. צורת פער הלהקה קשורה למומנטום; בהתבסס על צורת פער הרצועה, ניתן לחלק מוליכים למחצה לסוגי פערי פס ישירים ומרווחי פס עקיפים, כפי שמוצג באיור 3-3. במוליכים למחצה מרווח פס ישיר, לרמת האנרגיה המינימלית של פס ההולכה ולרמת האנרגיה המקסימלית של פס הערכיות יש את אותו מומנטום, והאלקטרונים עוברים אנכית, וכתוצאה מכך יעילות אור גבוהה, כפי שמוצג באיור 3-3a. במוליכים למחצה של פער פס עקיף, חלקיקים אחרים חייבים להשתתף כדי לשמור על שימור המומנטום עבור מעברי אלקטרונים, כפי שמוצג באיור 3-3b. רק חומרים מוליכים למחצה מרווח פס ישיר יכולים לשמש לייצור מכשירים פולטי אור; חומרים אלה כוללים GaAs, AlGaAs, InP ו- InGaAsP.
איור 3-3 מוליכים למחצה של פער פס ישיר ופער פס עקיף
עקרון הלייזר
לייזר מוליכים למחצה הוא לייזר המשתמש בחומרים מוליכים למחצה כמדיום הפעיל שלו; זה נקרא גם מתנד לייזר עצמי-מוליך למחצה.
כדי שלייזר יפלוט אור לייזר, יש לעמוד בשלושת התנאים הבאים: חייב להיות חומר פועל (נקרא גם חומר מפעיל) המסוגל לייצר אור לייזר; חייב להיות מקור עירור (נקרא גם מקור משאבה) המסוגל להכניס את החומר הפועל למצב היפוך אוכלוסיה; וחייב להיות מהוד אופטי המסוגל לבצע בחירת תדרים ומשוב.
(1) החומר הפועל המסוגל לייצר אור לייזר הוא החומר שיכול להשיג התפלגות אוכלוסייה. לאחר ההפעלה, החומר הפועל נקרא החומר המפעיל או חומר הרווח, וזהו תנאי הכרחי ליצירת לייזר.
(2) מקור המשאבה הוא מקור עירור חיצוני הגורם לחומר הפועל להשיג התפלגות היפוך אוכלוסיה. תחת פעולת מקור המשאבה, Ni> נi, וכתוצאה מכך פליטה מגורה גדולה יותר מהספיגה המגורה, ובכך מגבירה את האור.
(3) המהוד האופטי: החומר המפעיל יכול רק להגביר את האור. רק על ידי הנחת החומר המפעיל במהוד אופטי כדי לספק משוב הכרחי ולבחור את התדירות והכיוון של האור, ניתן להשיג הגברה מתמשכת של אור ופלט תנודת לייזר. החומר המפעיל והמהוד האופטי הם תנאים הכרחיים ליצירת תנודת לייזר.
1) מבנה של חלל תהודה אופטי. המבנה של חלל תהודה אופטי מוצג באיור 3-4. על ידי הצבת שתי מראות מקבילות, M1 ו-M2, עם מקדמי השתקפות r1 ו-r2 בהתאמה, במיקומים מתאימים בשני הקצוות של החומר המפעיל, נוצר חלל התהודה האופטי הפשוט ביותר, הנקרא גם חלל פברי-פרוט או חלל FP.
אם המראות הן מראות מישוריות, זה נקרא חלל מישור; אם המראות הן מראות כדוריות, זה נקרא חלל כדורי. מבין שתי המראות, האחת חייבת להיות מסוגלת להחזיר את האור במלואה, והשנייה חייבת להיות מסוגלת להחזיר חלקית.
איור 3-4 מבנה של חלל תהודה אופטי
2) תהליך התנודה של יצירת לייזר בחלל תהודה. תרשים סכמטי של לייזר מוצג באיור 3-5. כאשר מדיום העבודה משיג היפוך אוכלוסיה תחת פעולת מקור המשאבה, נוצרת פליטה ספונטנית. אם כיוון הפליטה הספונטנית אינו מקביל לציר חלל התהודה האופטי, הוא משתקף מתוך חלל התהודה. רק פליטה ספונטנית במקביל לציר חלל התהודה יכולה להתקיים ולהמשיך קדימה. כאשר הוא פוגש חלקיק ברמת אנרגיה גבוהה יותר, הוא משרה מעבר מגורה, פולט פוטון זהה במעבר מרמת האנרגיה הגבוהה יותר לרמת האנרגיה הנמוכה יותר - זוהי פליטה מגורה. כאשר אור הפליטה המגורה משתקף קדימה ואחורה פעם אחת בתוך חלל התהודה, ושינוי הפאזה הוא בדיוק כפולה שלמה של 2π, מספר אורות פליטה מגורה המתפשטים באותו כיוון מחזקים זה את זה, ומייצרים תהודה. לאחר הגעה לעוצמה מסוימת, הוא מועבר דרך מראה חלקית M2, ויוצרת קרן לייזר ישרה. כאשר מושג שיווי משקל, האנרגיה המוגברת על ידי אור הפליטה המגורה במהלך כל נסיעה הלוך ושוב בתוך חלל התהודה מבטלת בדיוק את האנרגיה הנצרכת, ובשלב זה הלייזר שומר על תפוקה יציבה.
איור 3-5 תרשים סכמטי של לייזר
3) מצב תהודה ותדירות תהודה של חלל תהודה אופטי. תן לאורכו של חלל התהודה להיות L, אז מצב התהודה של חלל התהודה הוא:
בנוסחה, c היא מהירות האור בוואקום; λ הוא אורך הגל של הלייזר; n הוא מקדם השבירה של החומר המפעיל; L הוא אורך החלל של חלל התהודה האופטי; והוא מספר המצב האורך,=1, 2, 3.
חלל התהודה מספק משוב חיובי רק לאורך הגל של משוואת גל האור המספקת (3-1) או לתדירות המשוואה המספקת גל האור (3-2), מה שגורם להם לחזק אחד את השני בתוך החלל ולהדהד ליצירת אור לייזר.
מכיוון שאור פליטה מגורה יוצר רק גלים עומדים לאורך ציר החלל (כיוון האורך), אלה נקראים מצבי אורך (מצבים שונים מתאימים להתפלגות שדות שונות).
4) תנאי סף לתנודה. מגבלת ההגברה המינימלית שבה לייזר יכול לייצר תנודת לייזר נקראת מצב הסף של הלייזר (בחלל F-P יש הפסדים, והחזרה ושבירה של אור ממראות צורכות פוטונים ללא הרף). אם Gu מייצג את מקדם רווח הסף, אזי תנאי הסף לתנודה הוא:
בנוסחה, הוא מקדם ההפסד של החומר הפעיל בחלל התהודה האופטי; L הוא אורך החלל של חלל התהודה האופטי; והם מקדמי ההחזר של שתי המראות של חלל התהודה האופטי.
