تتيح مصادر الضوء التحويل من الإشارات الكهربائية إلىالإشارات الضوئيةوهي مكونات أساسية لأجهزة الإرسال الضوئية وأنظمة اتصالات الألياف الضوئية. يؤثر أدائها بشكل مباشر على مؤشرات الأداء والجودة لنظام اتصالات الألياف الضوئية. يقدم هذا القسم بشكل أساسي البنية ومبدأ العمل والخصائص ذات الصلة لنوعين من مصادر الضوء: ثنائيات الليزر (LDs، المعروفة أيضًا باسم الليزر) والثنائيات الباعثة للضوء (LEDs)، ويقدم مواصفاتها الفنية.
العديد من المفاهيم الفيزيائية المتعلقة بالليزر
مفهوم الفوتونات
تنص نظرية الكم للضوء لأينشتاين على أن الضوء يتكون من فوتونات ذات طاقةhf، حيث ح=6.628 × 10⁻13J·s، المعروف بثابت بلانك، وf هو تردد موجة الضوء. وتسمى هذه الفوتونات الفوتونات.
عندما يتفاعل الضوء مع المادة، يتم امتصاص طاقة الفوتون أو انبعاثها ككل، مما يؤدي إلى إنشاء نظرية ازدواجية الجسيمات الموجية-للضوء.
مستوى الطاقة الذرية
في بلورات أشباه الموصلات، تتداخل مدارات الإلكترونات خارج النواة الذرية بدرجات متفاوتة بسبب الحركة المشتركة للذرات المجاورة. وكما هو مبين في الشكل 3-1، فإن مستويات الطاقة في البلورة لم تعد تنتمي إلى أي ذرة واحدة؛ يمكنهم التحرك على مساحة أوسع، حتى في جميع أنحاء البلورة بأكملها. بمعنى آخر، تم تحويل مستويات الطاقة الأصلية إلى نطاقات طاقة. يُطلق على نطاق الطاقة الذي يتكون من مستويات الطاقة الخارجية اسم نطاق التوصيل، وتسمى نطاقات الطاقة الداخلية نطاق التكافؤ. ولا توجد إلكترونات في الفترات الفاصلة بينها؛ ويسمى هذا الفاصل الزمني بفجوة النطاق.
الشكل 3-1 مستويات الطاقة في البلورة
ثلاث طرق للتفاعل بين الضوء والمادة
يمكن اختزال التفاعل بين الضوء والمادة إلى التفاعل بين الضوء والذرات، بما في ذلك ثلاث عمليات فيزيائية: الامتصاص المحفز، والانبعاث التلقائي، والانبعاث المحفز. يتم عرض مستويات الطاقة والتحولات الإلكترونية لأنماط التفاعل الثلاثة هذه في الشكل 3-2.
الشكل 3-2 مستويات الطاقة والتحولات الإلكترونية في ثلاثة أنماط من التفاعل بين الضوء والمادة.
1) في الظروف العادية، تكون الإلكترونات عادة في مستوى طاقة منخفض Ea. تحت تأثير الضوء الساقط، تمتص الإلكترونات طاقة الفوتون وتنتقل إلى مستوى طاقة مرتفع E2، توليد تيار ضوئي. ويسمى هذا التحول الامتصاص المحفز. هذا هو مبدأ عمل الكاشف الضوئي.
2) الإلكترونات في مستوى الطاقة العالية E2غير مستقرة. وحتى بدون قوة خارجية، فإنها ستنتقل تلقائيًا إلى مستوى الطاقة المنخفض Eaوتتحد مع الثقوب، وتطلق طاقة تتحول إلى فوتونات تشع إلى الخارج. ويسمى هذا التحول بالانبعاث التلقائي. هذا هو مبدأ عمل الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED). الضوء المنبعث تلقائيًا هو ضوء غير متماسك.
3) عندما يكون الإلكترون في مستوى الطاقة العالي Eaمتحمس بواسطة فوتون خارجي له طاقة hf، يضطر إلى الانتقال إلى مستوى الطاقة المنخفض Ea، يتحد مع الثقوب، ويطلق في الوقت نفسه فوتونًا له نفس التردد والطور والاتجاه مثل ضوء الإثارة (يُسمى الفوتون المطابق).
وبما أن هذه العملية تتولد تحت إثارة فوتون خارجي، فإن هذا التحول يسمى الانبعاث المحفز. هذا هو مبدأ عمل الليزر. ضوء الانبعاث المحفز هو ضوء متماسك.
انعكاس السكان وتضخيم الضوء
الانبعاث المحفز هو المفتاح لتوليد الليزر. دع كثافة الجسيمات عند مستوى الطاقة الأدنى تكون N، وكثافة الجسيمات عند مستوى الطاقة الأعلى تكون N². في الظروف العادية، N > N²، مما يعني أن الامتصاص المحفز يتجاوز دائمًا الانبعاث المحفز؛ أي أنه في ظل التوازن الحراري، لا تستطيع المادة تضخيم الضوء.
لكي تقوم المادة بتضخيم الضوء، يجب أن يتجاوز الانبعاث المحفز الامتصاص المحفز، حتى لو كان N²> N (عدد الإلكترونات عند مستويات الطاقة الأعلى أكبر من العدد عند مستويات الطاقة المنخفضة). ويسمى هذا التوزيع غير الطبيعي لأعداد الجسيمات بالانعكاس السكاني.
الانقلاب السكاني هو الشرط الأساسي لمادة ما لإنتاج تضخيم الضوء وإصدار الضوء.
فجوة الحزمة المباشرة وأشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة غير المباشرة
في انبعاث الضوء المحفز، يجب الحفاظ على الطاقة والزخم. يرتبط شكل فجوة النطاق بالزخم؛ استنادًا إلى شكل فجوة النطاق، يمكن تقسيم أشباه الموصلات إلى أنواع فجوة النطاق المباشرة وأنواع فجوة النطاق غير المباشرة، كما هو موضح في الشكل 3-3. في أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق المباشر، يكون لمستوى الطاقة الأدنى لنطاق التوصيل والحد الأقصى لمستوى الطاقة لنطاق التكافؤ نفس الزخم، وتنتقل الإلكترونات عموديًا، مما يؤدي إلى كفاءة مضيئة عالية، كما هو موضح في الشكل 3-3أ. في أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق غير المباشرة، يجب أن تشارك الجسيمات الأخرى للحفاظ على الحفاظ على الزخم للتحولات الإلكترونية، كما هو مبين في الشكل 3-3ب. يمكن فقط استخدام مواد أشباه الموصلات ذات الفجوة المباشرة في تصنيع الأجهزة الباعثة للضوء؛ تتضمن هذه المواد GaAs وAlGaAs وInP وInGaAsP.
الشكل 3-3 أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة المباشرة وأشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة غير المباشرة
مبدأ الليزر
ليزر أشباه الموصلات هو ليزر يستخدم مواد أشباه الموصلات كوسيط نشط؛ ويُطلق عليه أيضًا مذبذب ليزر أشباه الموصلات الذاتي-.
لكي يصدر الليزر ضوء الليزر، يجب استيفاء الشروط الثلاثة التالية: يجب أن تكون هناك مادة عاملة (وتسمى أيضًا مادة منشطة) قادرة على توليد ضوء الليزر؛ يجب أن يكون هناك مصدر إثارة (يُسمى أيضًا مصدر مضخة) قادر على وضع المادة العاملة في حالة الانعكاس السكاني؛ ويجب أن يكون هناك مرنان بصري قادر على اختيار التردد والتغذية المرتدة.
(1) المادة العاملة القادرة على توليد ضوء الليزر هي المادة التي يمكنها تحقيق توزيع انعكاس السكان. بمجرد تنشيطها، تسمى المادة العاملة المادة المنشطة أو المادة المكتسب، وهي شرط ضروري لتوليد الليزر.
(2) مصدر المضخة هو مصدر إثارة خارجي يؤدي إلى تحقيق المادة العاملة لتوزيع انعكاس السكان. تحت تأثير مصدر المضخة، Ni> نi، مما يؤدي إلى انبعاث محفز أكبر من الامتصاص المحفز، وبالتالي تضخيم الضوء.
(3) الرنان البصري: المادة المنشطة يمكنها تضخيم الضوء فقط. فقط عن طريق وضع المادة المنشطة في مرنان بصري لتوفير التغذية الراجعة اللازمة واختيار تردد الضوء واتجاهه، يمكن الحصول على تضخيم الضوء المستمر وإخراج تذبذب الليزر. تعد المادة المنشطة والمرنان البصري شرطين ضروريين لتوليد تذبذبات الليزر.
1) هيكل تجويف الرنين البصري. يظهر هيكل تجويف الرنين البصري في الشكل 3-4. من خلال وضع مرآتين متوازيتين، M1 وM2، مع معاملات الانعكاس r1 وr2 على التوالي، في مواضع مناسبة على طرفي المادة المنشطة، يتم تشكيل أبسط تجويف رنين بصري، ويسمى أيضًا تجويف Fabry - Perot أو تجويف FP.
إذا كانت المرايا مرايا مستوية، فإنها تسمى تجويفًا مستويًا؛ وإذا كانت المرايا مرايا كروية، فإنها تسمى تجويف كروي. ومن بين المرآتين، يجب أن تكون إحداهما قادرة على عكس الضوء بشكل كامل، ويجب أن تكون الأخرى قادرة على عكس الضوء جزئيًا.
الشكل 3-4 هيكل تجويف الرنين البصري
2) عملية تذبذب توليد الليزر في تجويف الرنين. يظهر الرسم التخطيطي لليزر في الشكل 3-5. عندما يحقق وسط العمل انعكاسًا سكانيًا تحت تأثير مصدر المضخة، يتم توليد انبعاث تلقائي. إذا كان اتجاه الانبعاث التلقائي غير موازي لمحور تجويف الرنين البصري، فإنه ينعكس خارج تجويف الرنين. فقط الانبعاث التلقائي الموازي لمحور تجويف الرنين هو الذي يمكن أن يوجد ويستمر للأمام. عندما يواجه جسيمًا عند مستوى طاقة أعلى، فإنه يستحث انتقالًا محفزًا، وينبعث منه فوتونًا متطابقًا أثناء الانتقال من مستوى الطاقة الأعلى إلى مستوى الطاقة الأدنى - وهذا هو الانبعاث المحفز. عندما ينعكس ضوء الانبعاث المحفز ذهابًا وإيابًا مرة واحدة داخل تجويف الرنين، ويكون تغير الطور مضاعفًا صحيحًا لـ 2π، فإن العديد من أضواء الانبعاث المحفزة المنتشرة في نفس الاتجاه تعزز بعضها البعض، مما ينتج عنه رنين. وبعد الوصول إلى شدة معينة، يتم إرساله من خلال مرآة جزئية M2، مما يشكل شعاع ليزر مستقيم. عند الوصول إلى التوازن، فإن الطاقة التي يتم تضخيمها بواسطة الضوء الانبعاث المحفز خلال كل رحلة ذهابًا وإيابًا داخل تجويف الرنين تلغي تمامًا الطاقة المستهلكة، وعند هذه النقطة يحافظ الليزر على خرج ثابت.
الشكل 3-5 رسم تخطيطي لليزر
3) حالة الرنين وتردد الرنين لتجويف الرنين البصري. إذا كان طول تجويف الرنين L، فإن حالة الرنين لتجويف الرنين هي:
في الصيغة، c هي سرعة الضوء في الفراغ؛ α هو الطول الموجي لليزر؛ n هو معامل الانكسار للمادة المنشطة؛ L هو طول تجويف تجويف الرنين البصري؛ وهو رقم الوضع الطولي،=1، 2، 3.
يوفر تجويف الرنين ردود فعل إيجابية فقط على الطول الموجي لموجة الضوء التي تحقق المعادلة (3-1) أو تردد موجة الضوء التي تحقق المعادلة (3-2)، مما يؤدي إلى تعزيز بعضها البعض داخل التجويف ويتردد صداها لتكوين ضوء الليزر.
نظرًا لأن ضوء الانبعاث المحفز يشكل فقط موجات ثابتة على طول محور التجويف (الاتجاه الطولي)، فإن هذه تسمى الأوضاع الطولية (تتوافق الأوضاع المختلفة مع توزيعات المجال المختلفة).
4) شرط عتبة التذبذب. يُطلق على الحد الأدنى للكسب الذي يمكن أن ينتج عنده الليزر تذبذب الليزر حالة عتبة الليزر (يحتوي تجويف F-P على خسائر، كما يستهلك انعكاس الضوء وانكساره من المرايا الفوتونات بشكل مستمر). إذا كانت Gu تمثل معامل كسب العتبة، فإن شرط عتبة التذبذب هو:
في الصيغة، هو معامل فقدان المادة الفعالة في تجويف الرنين البصري؛ L هو طول تجويف تجويف الرنين البصري؛ و هما معاملات الانعكاس لمرآتي تجويف الرنين البصري.
