광원을 사용하면 전기 신호를 다음으로 변환할 수 있습니다.광신호광 송신기 및 광섬유 통신 시스템의 핵심 구성 요소입니다. 이들의 성능은 광섬유 통신 시스템의 성능 및 품질 지표에 직접적인 영향을 미칩니다. 이 섹션에서는 주로 레이저 다이오드(LD, 레이저라고도 함)와 발광 다이오드(LED)의 두 가지 유형의 광원의 구조, 작동 원리 및 관련 특성을 소개하고 해당 기술 사양을 제공합니다.
레이저와 관련된 여러 물리적 개념
광자의 개념
아인슈타인의 빛에 대한 양자 이론은 빛이 에너지를 가진 광자로 구성되어 있다고 말합니다.HF, 여기서 h=6.628 × 10⁻13J·s는 플랑크 상수로 알려져 있으며, f는 광파의 주파수입니다. 이러한 광자를 광자라고 합니다.
빛이 물질과 상호작용하면 광자의 에너지가 전체적으로 흡수되거나 방출되어 빛의 파-입자 이중성 이론이 확립됩니다.
원자 에너지 레벨
반도체 결정에서 원자핵 외부의 전자 궤도는 인접한 원자의 공유 운동으로 인해 다양한 각도로 겹칩니다. 그림 3-1에서 볼 수 있듯이, 결정의 에너지 준위는 더 이상 단일 원자에 속하지 않습니다. 크리스탈 전체를 포함해 더 넓은 영역으로 이동할 수 있습니다. 즉, 원래의 에너지 준위가 에너지 밴드로 변환된 것입니다. 가장 바깥쪽 에너지 준위에 의해 형성된 에너지 밴드를 전도대라고 하며, 안쪽 에너지 밴드를 원자가 밴드라고 합니다. 그들 사이의 간격에는 전자가 존재하지 않습니다. 이 간격을 밴드 갭이라고 합니다.
그림 3-1 결정의 에너지 준위
빛과 물질 사이의 세 가지 상호 작용 모드
빛과 물질 사이의 상호작용은 유도 흡수, 자연 방출, 유도 방출이라는 세 가지 물리적 과정을 포함하여 빛과 원자 사이의 상호 작용으로 환원될 수 있습니다. 이 세 가지 상호작용 모드의 에너지 수준과 전자 전이가 그림 3-2에 나와 있습니다.
그림 3-2 빛과 물질 사이의 세 가지 상호작용 모드에서 에너지 준위와 전자 전이.
1) 정상적인 조건에서 전자는 일반적으로 낮은 에너지 준위 E에 있습니다.a. 입사광의 영향으로 전자는 광자의 에너지를 흡수하고 높은 에너지 준위 E로 전환됩니다.2, 광전류를 생성합니다. 이러한 전환을 자극 흡수라고 합니다. 이것이 광검출기의 작동 원리입니다.
2) 높은 에너지 준위 E의 전자2불안정하다. 외부 힘이 없어도 저절로 낮은 에너지 준위 E로 전환됩니다.a, 정공과 재결합하여 외부로 방출되는 광자로 변환된 에너지를 방출합니다. 이러한 전환을 자연 방출이라고 합니다. 이것이 발광 다이오드(LED)의-작동 원리입니다. 자발적으로 방출되는 빛은 일관성이 없는 빛입니다.
3) 전자가 높은 에너지 준위 E에 있을 때a에너지 h를 갖는 외부 광자에 의해 여기됩니다.f, 낮은 에너지 준위 E로 강제 전환됩니다.a, 정공과 재결합하고 동시에 여기광과 동일한 주파수, 위상 및 방향을 가진 광자(동일 광자라고 함)를 방출합니다.
이 과정은 외부 광자의 여기 하에서 생성되므로 이 전이를 유도 방출이라고 합니다. 이것이 레이저의 작동 원리입니다. 유도방출광은 간섭광이다.
인구 역전 및 광 증폭
유도 방출은 레이저 생성의 핵심입니다. 낮은 에너지 준위의 입자 밀도를 N, 높은 에너지 준위의 입자 밀도를 N²라고 합니다. 정상적인 조건에서 N > N²는 자극 흡수가 항상 자극 방출을 초과함을 의미합니다. 즉, 열 평형 상태에서 물질은 빛을 증폭할 수 없습니다.
물질이 빛을 증폭시키려면 N² > N(더 높은 에너지 준위의 전자 수가 낮은 에너지 준위의 전자 수보다 많음)이라 하더라도 유도 방출이 유도 흡수를 초과해야 합니다. 이러한 입자 수의 비정상적인 분포를 모집단 역전이라고 합니다.
인구역전은 물질이 빛을 증폭시켜 빛을 방출하는 일차적인 조건이다.
직접 밴드갭과 간접 밴드갭 반도체
빛의 유도 방출에서는 에너지와 운동량이 보존되어야 합니다. 밴드 갭 모양은 운동량과 관련이 있습니다. 반도체는 밴드갭 형태에 따라 그림 3-3과 같이 직접 밴드갭 유형과 간접 밴드갭 유형으로 나눌 수 있습니다. 다이렉트 밴드갭 반도체에서는 전도대의 최소 에너지 준위와 원자가대의 최대 에너지 준위가 동일한 운동량을 가지며, 전자가 수직으로 전이하므로 그림 3-3a와 같이 발광 효율이 높다. 간접 밴드 갭 반도체에서는 그림 3-3b와 같이 전자 전이에 대한 운동량 보존을 유지하기 위해 다른 입자가 참여해야 합니다. 발광 장치를 제조하는 데는 직접 밴드갭 반도체 재료만 사용할 수 있습니다. 이러한 재료에는 GaAs, AlGaAs, InP 및 InGaAsP가 포함됩니다.
그림 3-3 직접 밴드갭과 간접 밴드갭 반도체
레이저 원리
반도체 레이저는 반도체 재료를 활성 매체로 사용하는 레이저입니다. 반도체 레이저 자체-발진기라고도 합니다.
레이저가 레이저광을 방출하려면 다음 세 가지 조건이 충족되어야 합니다. 레이저광을 생성할 수 있는 작동 물질(활성화 물질이라고도 함)이 있어야 합니다. 작동 물질을 밀도 반전 상태로 만들 수 있는 여기 소스(펌프 소스라고도 함)가 있어야 합니다. 그리고 주파수 선택과 피드백을 수행할 수 있는 광학 공진기가 있어야 합니다.
(1) 레이저광을 발생시킬 수 있는 작용물질은 인구역전분포를 이룰 수 있는 물질이다. 일단 활성화되면 작동물질을 활성화물질 또는 이득물질이라 부르는데 이는 레이저 발생에 필요한 조건이다.
(2) 펌프 소스는 작동 물질이 인구 반전 분포를 달성하도록 하는 외부 여기 소스입니다. 펌프 소스의 작용으로 Ni> 엔i, 유도 흡수보다 유도 방출이 더 커지므로 빛이 증폭됩니다.
(3) 광학 공진기: 활성화 물질은 빛을 증폭시킬 수만 있습니다. 필요한 피드백을 제공하고 빛의 주파수와 방향을 선택하기 위해 활성화 물질을 광학 공진기에 배치해야만 지속적인 빛 증폭과 레이저 발진 출력을 얻을 수 있습니다. 활성화 물질과 광공진기는 레이저 발진이 발생하기 위한 필수 조건이다.
1) 광학 공명 공동의 구조. 광학 공명 공동의 구조는 그림 3-4에 나와 있습니다. 각각 반사 계수 r1과 r2를 갖는 두 개의 평행 거울 M1과 M2를 활성화 재료의 양쪽 끝의 적절한 위치에 배치함으로써 가장 간단한 광학 공명 공동이 형성되며, 이는 Fabry-Perot 공동 또는 FP 공동이라고도 합니다.
거울이 평면 거울이면 평면 공동이라고 합니다. 거울이 구형 거울이면 구형 공동이라고 합니다. 두 개의 거울 중 하나는 빛을 완전히 반사할 수 있어야 하고, 다른 하나는 부분적으로 반사할 수 있어야 합니다.
그림 3-4 광학 공명 공동의 구조
2) 공진 공동 내에서 레이저 생성의 진동 과정. 레이저의 개략도는 그림 3-5에 나와 있습니다. 작동 매체가 펌프 소스의 작용으로 인구 반전을 달성하면 자연 배출이 생성됩니다. 자연 방출 방향이 광학 공명 공동의 축과 평행하지 않으면 공명 공동 외부로 반사됩니다. 공진 공동의 축에 평행한 자연 방출만이 존재할 수 있으며 앞으로 계속될 수 있습니다. 더 높은 에너지 준위의 입자를 만나면 자극 전이를 유도하여 더 높은 에너지 준위에서 더 낮은 에너지 준위로 전이할 때 동일한 광자를 방출합니다. 이것이 유도 방출입니다. 유도 방출광이 공진 공동 내에서 한 번 앞뒤로 반사되고 위상 변화가 정확히 2π의 정수배가 되면 같은 방향으로 전파되는 여러 유도 방출광이 서로 강화되어 공명을 생성합니다. 특정 강도에 도달한 후 부분 거울 M2를 통해 투과되어 직선 레이저 빔을 형성합니다. 평형에 도달하면 공진 공동 내 각 왕복 동안 유도 방출 광에 의해 증폭된 에너지가 소비된 에너지를 정확히 상쇄하고, 이 시점에서 레이저는 안정적인 출력을 유지합니다.
그림 3-5 레이저의 개략도
3) 광학공명공동체의 공진조건과 공진주파수. 공진 공동의 길이를 L로 하면 공진 공동의 공명 조건은 다음과 같습니다.
공식에서 c는 진공에서의 빛의 속도입니다. λ는 레이저 파장이고; n은 활성화 물질의 굴절률이고; L은 광학 공명 공동의 공동 길이이고; 는 세로 모드 번호=1, 2, 3입니다.
공진공동은 식 (3-1)을 만족하는 광파의 파장이나 식 (3-2)를 만족하는 광파의 주파수에만 포지티브 피드백을 제공하여 공진 내에서 서로 강화되고 공진하여 레이저 광을 형성하게 된다.
유도 방출 광은 캐비티 축(세로 방향)을 따라 정재파만 형성하므로 이를 세로 모드라고 합니다(다른 모드는 다른 필드 분포에 해당함).
4) 진동에 대한 임계 조건. 레이저가 레이저 진동을 생성할 수 있는 최소 이득 한계를 레이저의 임계 조건이라고 합니다(F-P 캐비티에는 손실이 있으며 거울의 빛 반사 및 굴절도 지속적으로 광자를 소비합니다). Gu가 임계 이득 계수를 나타내는 경우 진동의 임계 조건은 다음과 같습니다.
공식에서 는 광학 공명 공동 내 활물질의 손실 계수입니다. L은 광학 공명 공동의 공동 길이이고; 및 는 광학 공명 공동의 두 거울의 반사 계수입니다.
