Nguồn sáng cho phép chuyển đổi từ tín hiệu điện sangtín hiệu quang họcvà là thành phần cốt lõi của máy phát quang và hệ thống thông tin cáp quang. Hiệu suất của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và các chỉ số chất lượng của hệ thống thông tin cáp quang. Phần này chủ yếu giới thiệu cấu trúc, nguyên lý hoạt động và các đặc điểm liên quan của hai loại nguồn sáng: điốt laze (LD, còn được gọi là laze) và điốt phát quang (LED) và cung cấp thông số kỹ thuật của chúng.
Một số khái niệm vật lý liên quan đến laser
Khái niệm về photon
Lý thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein phát biểu rằng ánh sáng được tạo thành từ các photon có năng lượnghf, trong đó h=6.628 × 10⁻13J·s, được gọi là hằng số Planck, và f là tần số của sóng ánh sáng. Những photon này được gọi là photon.
Khi ánh sáng tương tác với vật chất, toàn bộ năng lượng của photon được hấp thụ hoặc phát ra, thiết lập nên lý thuyết lưỡng tính sóng{0}}hạt của ánh sáng.
Mức năng lượng nguyên tử
Trong tinh thể bán dẫn, quỹ đạo của các electron bên ngoài hạt nhân nguyên tử chồng lên nhau ở các mức độ khác nhau do chuyển động chung của các nguyên tử lân cận. Như được minh họa trong Hình 3-1, các mức năng lượng trong tinh thể không còn thuộc về bất kỳ nguyên tử đơn lẻ nào nữa; chúng có thể di chuyển trên một khu vực rộng hơn, thậm chí trên toàn bộ tinh thể. Nói cách khác, các mức năng lượng ban đầu đã được chuyển hóa thành các dải năng lượng. Dải năng lượng được hình thành bởi các mức năng lượng ngoài cùng được gọi là dải dẫn và dải năng lượng bên trong được gọi là dải hóa trị. Không có electron nào tồn tại trong các khoảng giữa chúng; khoảng này được gọi là khoảng cách dải.
Hình 3-1 Mức năng lượng trong tinh thể
Ba phương thức tương tác giữa ánh sáng và vật chất
Sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất có thể được quy giản thành tương tác giữa ánh sáng và nguyên tử, bao gồm ba quá trình vật lý: hấp thụ kích thích, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích. Các mức năng lượng và chuyển tiếp điện tử của ba chế độ tương tác này được thể hiện trong Hình 3-2.
Hình 3-2 Mức năng lượng và sự chuyển tiếp điện tử trong ba chế độ tương tác giữa ánh sáng và vật chất.
1) Trong điều kiện bình thường, các electron thường ở mức năng lượng thấp Ea. Dưới tác dụng của ánh sáng tới, các electron hấp thụ năng lượng của photon và chuyển lên mức năng lượng cao E2, tạo ra dòng quang điện. Quá trình chuyển đổi này được gọi là sự hấp thụ kích thích. Đây là nguyên lý làm việc của bộ tách sóng quang.
2) Các electron ở mức năng lượng cao E2không ổn định. Ngay cả khi không có ngoại lực, chúng sẽ tự động chuyển sang mức năng lượng thấp Ea, kết hợp lại với các lỗ trống và giải phóng năng lượng chuyển hóa thành photon tỏa ra bên ngoài. Quá trình chuyển đổi này được gọi là phát xạ tự phát. Đây là nguyên lý hoạt động của đi-ốt phát quang (LED). Ánh sáng phát ra tự phát là ánh sáng không kết hợp.
3) Khi một electron ở mức năng lượng cao Eabị kích thích bởi một photon bên ngoài có năng lượng hf, nó buộc phải chuyển về mức năng lượng thấp Ea, kết hợp lại với các lỗ trống và đồng thời giải phóng một photon có cùng tần số, pha và hướng như ánh sáng kích thích (gọi là photon giống hệt nhau).
Vì quá trình này được tạo ra dưới sự kích thích của một photon bên ngoài nên quá trình chuyển đổi này được gọi là phát xạ kích thích. Đây là nguyên lý hoạt động của tia laser. Ánh sáng phát xạ kích thích là ánh sáng kết hợp.
Đảo ngược dân số và khuếch đại ánh sáng
Phát xạ kích thích là chìa khóa để tạo ra laser. Đặt mật độ hạt ở mức năng lượng thấp hơn là N và mật độ hạt ở mức năng lượng cao hơn là N2. Trong điều kiện bình thường, N > N2, nghĩa là sự hấp thụ kích thích luôn vượt quá sự phát xạ kích thích; nghĩa là, ở trạng thái cân bằng nhiệt, vật chất không thể khuếch đại ánh sáng.
Để vật chất khuếch đại ánh sáng, sự phát xạ kích thích phải vượt quá sự hấp thụ kích thích, ngay cả khi N2 > N (số lượng electron ở mức năng lượng cao hơn lớn hơn số lượng ở mức năng lượng thấp hơn). Sự phân bố số lượng hạt bất thường này được gọi là sự đảo ngược dân số.
Nghịch đảo dân số là điều kiện cơ bản để một chất tạo ra sự khuếch đại ánh sáng và phát ra ánh sáng.
Chất bán dẫn vùng cấm trực tiếp và gián tiếp
Trong sự phát xạ kích thích của ánh sáng, năng lượng và động lượng phải được bảo toàn. Hình dạng vùng cấm có liên quan đến động lượng; dựa trên hình dạng vùng cấm, chất bán dẫn có thể được chia thành các loại vùng cấm trực tiếp và loại vùng cấm gián tiếp, như trong Hình 3-3. Trong chất bán dẫn vùng cấm trực tiếp, mức năng lượng tối thiểu của vùng dẫn và mức năng lượng tối đa của vùng hóa trị có cùng động lượng và các electron chuyển động theo chiều dọc, dẫn đến hiệu suất phát sáng cao, như trong Hình 3-3a. Trong chất bán dẫn vùng cấm gián tiếp, các hạt khác phải tham gia để duy trì sự bảo toàn động lượng cho các chuyển tiếp electron, như trong Hình 3-3b. Chỉ có thể sử dụng vật liệu bán dẫn vùng cấm trực tiếp để chế tạo các thiết bị phát sáng; những vật liệu này bao gồm GaAs, AlGaAs, InP và InGaAsP.
Hình 3-3 Chất bán dẫn có khe cấm trực tiếp và gián tiếp
Nguyên lý laser
Laser bán dẫn là loại laser sử dụng vật liệu bán dẫn làm môi trường hoạt động; nó còn được gọi là bộ tự dao động laser bán dẫn.
Để tia laser phát ra ánh sáng laser phải đáp ứng ba điều kiện sau: phải có chất hoạt động (còn gọi là chất kích hoạt) có khả năng phát ra ánh sáng laser; phải có nguồn kích thích (còn gọi là nguồn bơm) có khả năng đưa chất công tác vào trạng thái nghịch đảo dân số; và phải có bộ cộng hưởng quang có khả năng thực hiện lựa chọn tần số và phản hồi.
(1) Chất hoạt động có khả năng tạo ra ánh sáng laser là chất có thể đạt được sự phân bố đảo ngược dân số. Sau khi được kích hoạt, chất hoạt động được gọi là chất kích hoạt hoặc chất thu được và nó là điều kiện cần để tạo ra tia laser.
(2) Nguồn bơm là nguồn kích thích bên ngoài làm cho chất hoạt động đạt được sự phân bố nghịch đảo dân số. Dưới tác dụng của nguồn bơm, Ni> Ni, dẫn đến sự phát xạ kích thích lớn hơn sự hấp thụ kích thích, do đó khuếch đại ánh sáng.
(3) Bộ cộng hưởng quang học: Chất kích hoạt chỉ có thể khuếch đại ánh sáng. Chỉ bằng cách đặt chất kích hoạt vào bộ cộng hưởng quang học để cung cấp phản hồi cần thiết và chọn tần số cũng như hướng của ánh sáng thì mới có thể thu được khuếch đại ánh sáng liên tục và đầu ra dao động laser. Chất kích hoạt và bộ cộng hưởng quang là điều kiện cần thiết để tạo ra dao động laser.
1) Cấu trúc của hộp cộng hưởng quang học. Cấu trúc của khoang cộng hưởng quang học được thể hiện trong Hình 3-4. Bằng cách đặt hai gương song song, M1 và M2, có hệ số phản xạ lần lượt là r1 và r2, ở các vị trí thích hợp ở cả hai đầu của vật liệu kích hoạt, khoang cộng hưởng quang học đơn giản nhất sẽ được hình thành, còn được gọi là khoang Fabry-Perot hoặc khoang FP.
Nếu gương là gương phẳng thì gọi là hộp lõm phẳng; nếu gương là gương cầu thì gọi là hộp lõm hình cầu. Trong hai gương, một gương phải có khả năng phản xạ toàn bộ ánh sáng, còn gương kia phải phản xạ một phần.
Hình 3-4 Cấu trúc của hộp cộng hưởng quang học
2) Quá trình dao động phát ra tia laser trong hộp cộng hưởng. Sơ đồ nguyên lý của tia laser được hiển thị trong Hình 3-5. Khi môi trường làm việc đạt được sự đảo ngược dân số dưới tác động của nguồn bơm, sự phát xạ tự phát sẽ được tạo ra. Nếu hướng phát xạ tự phát không song song với trục của khoang cộng hưởng quang thì nó sẽ bị phản xạ ra khỏi khoang cộng hưởng. Chỉ có sự phát xạ tự phát song song với trục của khoang cộng hưởng mới có thể tồn tại và tiếp tục tiến về phía trước. Khi nó gặp một hạt ở mức năng lượng cao hơn, nó sẽ tạo ra một sự chuyển tiếp kích thích, phát ra một photon giống hệt nhau trong quá trình chuyển đổi từ mức năng lượng cao hơn sang mức năng lượng thấp hơn - đây là sự phát xạ kích thích. Khi ánh sáng phát xạ kích thích phản xạ qua lại một lần trong khoang cộng hưởng và độ lệch pha chính xác là bội số nguyên của 2π, một số đèn phát xạ kích thích truyền theo cùng một hướng sẽ tăng cường lẫn nhau, tạo ra sự cộng hưởng. Sau khi đạt đến một cường độ nhất định, nó được truyền qua một phần gương M2, tạo thành chùm tia laser thẳng. Khi đạt đến trạng thái cân bằng, năng lượng được khuếch đại bởi ánh sáng phát xạ kích thích trong mỗi chuyến đi khứ hồi trong khoang cộng hưởng sẽ triệt tiêu chính xác năng lượng tiêu thụ, tại thời điểm đó tia laser duy trì công suất ổn định.
Hình 3-5 Sơ đồ nguyên lý của laser
3) Điều kiện cộng hưởng và tần số cộng hưởng của hộp cộng hưởng quang. Gọi chiều dài khoang cộng hưởng là L thì điều kiện cộng hưởng của khoang cộng hưởng là:
Trong công thức, c là tốc độ ánh sáng trong chân không; λ là bước sóng laser; n là chiết suất của vật liệu kích hoạt; L là chiều dài khoang cộng hưởng quang học; và là số chế độ dọc,=1, 2, 3.
Hộp cộng hưởng chỉ cung cấp phản hồi dương đối với bước sóng của phương trình thỏa mãn sóng ánh sáng (3-1) hoặc tần số của phương trình thỏa mãn sóng ánh sáng (3-2), khiến chúng tăng cường lẫn nhau trong hộp và cộng hưởng để tạo thành ánh sáng laser.
Vì ánh sáng phát xạ kích thích chỉ hình thành các sóng dừng dọc theo trục hộp (hướng dọc), nên chúng được gọi là các chế độ dọc (các chế độ khác nhau tương ứng với sự phân bố trường khác nhau).
4) Điều kiện ngưỡng dao động. Giới hạn khuếch đại tối thiểu mà tại đó tia laser có thể tạo ra dao động laser được gọi là điều kiện ngưỡng của tia laser (Hốc F-P bị tổn hao, đồng thời sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng từ gương cũng liên tục tiêu thụ các photon). Nếu Gu đại diện cho hệ số khuếch đại ngưỡng thì điều kiện ngưỡng cho dao động là:
Trong công thức, là hệ số tổn hao của vật liệu hoạt tính trong khoang cộng hưởng quang; L là chiều dài khoang cộng hưởng quang học; và là hệ số phản xạ của hai gương của hộp cộng hưởng quang học.
