Mae ffynonellau golau yn galluogi trosi o signalau trydanol isignalau optegolac maent yn gydrannau craidd o drosglwyddyddion optegol a systemau cyfathrebu ffibr optig. Mae eu perfformiad yn effeithio'n uniongyrchol ar berfformiad a dangosyddion ansawdd y system gyfathrebu ffibr optig. Mae'r adran hon yn bennaf yn cyflwyno strwythur, egwyddor weithredol, a nodweddion cysylltiedig dau fath o ffynhonnell golau: deuodau laser (LDs, a elwir hefyd yn laserau) a deuodau allyrru golau (LEDs), ac yn darparu eu manylebau technegol.
Mae nifer o gysyniadau corfforol yn ymwneud â laserau
Y cysyniad o ffotonau
Mae damcaniaeth cwantwm golau Einstein yn datgan bod golau yn cynnwys ffotonau ag egnihf, lle mae h=6.628 × 10⁻13J·s, a elwir yn gysonyn Planck, ac f yw amledd y don golau. Gelwir y ffotonau hyn yn ffotonau.
Pan fydd golau'n rhyngweithio â mater, mae egni'r ffoton yn cael ei amsugno neu ei allyrru yn ei gyfanrwydd, gan sefydlu damcaniaeth deuoliaeth gronynnau tonnau golau.
Lefel egni atomig
Mewn crisialau lled-ddargludyddion, mae orbitau electronau y tu allan i'r niwclysau atomig yn gorgyffwrdd i raddau amrywiol oherwydd mudiant a rennir atomau cyfagos. Fel y dangosir yn Ffigur 3-1, nid yw'r lefelau egni yn y grisial bellach yn perthyn i unrhyw atom sengl; gallant symud dros ardal ehangach, hyd yn oed trwy gydol y grisial cyfan. Mewn geiriau eraill, mae'r lefelau egni gwreiddiol wedi'u trawsnewid yn fandiau egni. Gelwir y band egni a ffurfiwyd gan y lefelau egni mwyaf allanol yn fand dargludiad, a gelwir y bandiau egni mewnol yn fand falens. Nid oes unrhyw electronau yn bodoli yn y cyfyngau rhyngddynt; gelwir y cyfwng hwn yn fwlch y band.
Ffigur 3-1 Lefelau egni mewn grisial
Tri dull o ryngweithio rhwng golau a mater
Gellir lleihau'r rhyngweithio rhwng golau a mater i'r rhyngweithio rhwng golau ac atomau, gan gynnwys tair proses ffisegol: amsugno ysgogol, allyriadau digymell, ac allyriadau ysgogedig. Dangosir lefelau egni a thrawsnewidiadau electronig y tri dull rhyngweithio hyn yn Ffigur 3-2.
Ffigur 3-2 Lefelau egni a thrawsnewidiadau electronig mewn tri dull o ryngweithio rhwng golau a mater.
1) O dan amodau arferol, mae electronau fel arfer mewn lefel egni isel Ea. O dan ddylanwad golau digwyddiad, mae electronau'n amsugno egni'r ffoton ac yn trosglwyddo i lefel egni uchel E2, gan gynhyrchu ffotogyfrwng. Gelwir y trawsnewidiad hwn yn amsugno ysgogol. Dyma egwyddor weithredol ffotosynhwyrydd.
2) Electronau yn y lefel egni uchel E2yn ansefydlog. Hyd yn oed heb rym allanol, byddant yn trosglwyddo'n ddigymell i lefel ynni isel Ea, ailgyfuno â thyllau, a rhyddhau egni wedi'i drawsnewid yn ffotonau sy'n cael eu pelydru tuag allan. Gelwir y trawsnewidiad hwn yn allyriadau digymell. Dyma egwyddor weithredol deuod allyrru golau (LED). Mae golau a allyrrir yn ddigymell yn olau anghydlynol.
3) Pan fydd electron yn y lefel egni uchel Eayn cael ei gyffroi gan ffoton allanol ag egni hf, mae'n cael ei orfodi i drosglwyddo i'r lefel ynni isel Ea, yn ailgyfuno â thyllau, ac ar yr un pryd yn rhyddhau ffoton gyda'r un amlder, cyfnod a chyfeiriad â'r golau cyffro (a elwir yn ffoton union yr un fath).
Gan fod y broses hon yn cael ei chynhyrchu o dan gyffro ffoton allanol, gelwir y trawsnewid hwn yn allyriadau ysgogol. Dyma egwyddor weithredol laser. Mae golau allyriadau ysgogol yn olau cydlynol.
Gwrthdroad poblogaeth ac ymhelaethu golau
Mae allyriadau ysgogol yn allweddol i gynhyrchu laser. Gadewch i ddwysedd y gronynnau ar y lefel egni is fod yn N, a'r dwysedd gronynnau ar y lefel egni uwch yn N². O dan amodau arferol, mae N > N², sy'n golygu bod amsugno ysgogol bob amser yn fwy na'r allyriadau ysgogol; hynny yw, o dan ecwilibriwm thermol, ni all mater chwyddo golau.
Er mwyn i fater chwyddo golau, rhaid i allyriadau ysgogol fod yn fwy na'r amsugno ysgogol, hyd yn oed os yw N² > N (mae nifer yr electronau ar lefelau egni uwch yn fwy na'r nifer ar lefelau egni is). Gelwir y dosraniad annormal hwn o rifau gronynnau yn wrthdroad poblogaeth.
Gwrthdroad poblogaeth yw'r prif gyflwr i sylwedd gynhyrchu mwyhad golau ac allyrru golau.
Bandgap uniongyrchol a lled-ddargludyddion bandgap anuniongyrchol
Wrth allyrru golau wedi'i ysgogi, rhaid cadw egni a momentwm. Mae siâp bwlch y band yn gysylltiedig â momentwm; yn seiliedig ar siâp bwlch bandiau, gellir rhannu lled-ddargludyddion yn fathau o fwlch band uniongyrchol a bylchau band anuniongyrchol, fel y dangosir yn Ffigur 3-3. Mewn lled-ddargludyddion bwlch band uniongyrchol, mae gan isafswm lefel egni'r band dargludiad a lefel egni uchaf y band falens yr un momentwm, ac mae electronau'n trosglwyddo'n fertigol, gan arwain at effeithlonrwydd goleuol uchel, fel y dangosir yn Ffigur 3-3a. Mewn lled-ddargludyddion bwlch band anuniongyrchol, rhaid i ronynnau eraill gymryd rhan i gynnal cadwraeth momentwm ar gyfer trawsnewidiadau electronau, fel y dangosir yn Ffigur 3-3b. Dim ond deunyddiau lled-ddargludyddion bwlch band uniongyrchol y gellir eu defnyddio i wneud dyfeisiau allyrru golau; mae'r deunyddiau hyn yn cynnwys GaAs, AlGaAs, InP, ac InGaAsP.
Ffigur 3-3 Bandgap uniongyrchol a lled-ddargludyddion bandgap anuniongyrchol
Egwyddor laser
Mae laser lled-ddargludyddion yn laser sy'n defnyddio deunyddiau lled-ddargludyddion fel ei gyfrwng gweithredol; fe'i gelwir hefyd yn osgiliadur laser lled-ddargludyddion.
Er mwyn i laser allyrru golau laser, rhaid bodloni'r tri chyflwr canlynol: rhaid cael sylwedd gweithredol (a elwir hefyd yn sylwedd actifadu) sy'n gallu cynhyrchu golau laser; rhaid bod ffynhonnell cyffro (a elwir hefyd yn ffynhonnell pwmp) a all roi'r sylwedd gweithredol mewn cyflwr gwrthdroad poblogaeth; a rhaid cael cyseinydd optegol sy'n gallu perfformio dewis amledd ac adborth.
(1) Y sylwedd gweithredol sy'n gallu cynhyrchu golau laser yw'r sylwedd a all gyflawni dosbarthiad gwrthdroad poblogaeth. Ar ôl ei actifadu, gelwir y sylwedd gweithredol yn sylwedd actifadu neu'n sylwedd ennill, ac mae'n gyflwr angenrheidiol ar gyfer cynhyrchu laser.
(2) Mae ffynhonnell y pwmp yn ffynhonnell excitation allanol sy'n achosi'r sylwedd gweithiol i gyflawni dosbarthiad gwrthdroad poblogaeth. O dan weithred y ffynhonnell pwmp, mae Ni> Ni, gan arwain at allyriad ysgogol yn fwy nag amsugno ysgogol, a thrwy hynny ymhelaethu ar y golau.
(3) Y cyseinydd optegol: Gall y sylwedd actifadu dim ond mwyhau'r golau. Dim ond trwy osod y sylwedd actifadu mewn resonator optegol i ddarparu adborth angenrheidiol a dewis amlder a chyfeiriad y golau y gellir cael mwyhad golau parhaus ac allbwn osciliad laser. Mae'r sylwedd actifadu a'r cyseinydd optegol yn amodau angenrheidiol ar gyfer cynhyrchu osciliad laser.
1) Adeiledd ceudod atseiniol optegol. Dangosir adeiledd ceudod atseiniol optegol yn Ffigur 3-4. Trwy osod dau ddrych cyfochrog, M1 a M2, gyda chyfernodau adlewyrchiad r1 a r2 yn y drefn honno, mewn mannau priodol ar ddau ben y deunydd actifadu, mae'r ceudod cyseiniant optegol symlaf yn cael ei ffurfio, a elwir hefyd yn Fabry-Ceudod Perot neu geudod FP.
Os drychau awyren yw'r drychau, fe'i gelwir yn geudod awyren; os yw'r drychau yn ddrychau sfferig, fe'i gelwir yn geudod sfferig. O'r ddau ddrych, rhaid i un allu adlewyrchu'r golau yn llwyr, a rhaid i'r llall allu adlewyrchu'n rhannol.
Ffigur 3-4 Adeiledd ceudod atseiniol optegol
2) Y broses osciliad o gynhyrchu laser mewn ceudod soniarus. Dangosir diagram sgematig o laser yn Ffigur 3-5. Pan fydd y cyfrwng gweithio yn cyflawni gwrthdroad poblogaeth o dan weithred ffynhonnell y pwmp, cynhyrchir allyriadau digymell. Os nad yw cyfeiriad yr allyriad digymell yn gyfochrog ag echel y ceudod cyseiniant optegol, caiff ei adlewyrchu allan o'r ceudod soniarus. Dim ond allyriad digymell sy'n gyfochrog ag echel y ceudod soniarus all fodoli a pharhau ymlaen. Pan fydd yn dod ar draws gronyn ar lefel egni uwch, mae'n achosi trosglwyddiad ysgogol, gan allyrru ffoton union yr un fath yn y trawsnewid o'r lefel egni uwch i'r lefel egni is - allyriadau ysgogol yw hyn. Pan fydd y golau allyriadau ysgogedig yn adlewyrchu yn ôl ac ymlaen unwaith o fewn y ceudod soniarus, ac mae'r newid cam yn lluosrif cyfanrif o 2π yn union, mae nifer o oleuadau allyriadau ysgogol sy'n lluosogi i'r un cyfeiriad yn atgyfnerthu ei gilydd, gan gynhyrchu cyseiniant. Ar ôl cyrraedd dwyster penodol, caiff ei drosglwyddo trwy ddrych rhannol M2, gan ffurfio trawst laser syth. Pan gyrhaeddir ecwilibriwm, mae'r egni sy'n cael ei chwyddo gan y golau allyriadau ysgogol yn ystod pob taith gron o fewn y ceudod soniarus yn canslo'r egni a ddefnyddir yn union, ac ar yr adeg honno mae'r laser yn cynnal allbwn sefydlog.
Ffigur 3-5 Diagram sgematig o laser
3) Cyflwr cyseiniant ac amlder soniarus ceudod cyseiniant optegol. Gadewch i hyd y ceudod soniarus fod yn L, yna cyflwr cyseiniant y ceudod soniarus yw:
Yn y fformiwla, c yw cyflymder golau mewn gwactod; λ yw'r donfedd laser; n yw mynegai plygiannol y deunydd actifadu; L yw hyd ceudod y ceudod resonant optegol; a dyma'r rhif modd hydredol,=1, 2, 3.
Mae'r ceudod soniarus yn darparu adborth cadarnhaol yn unig i donfedd yr hafaliad bodloni tonnau golau (3-1) neu amlder yr hafaliad bodloni tonnau golau (3-2), gan achosi iddynt atgyfnerthu ei gilydd o fewn y ceudod ac atseinio i ffurfio golau laser.
Gan mai dim ond tonnau sefydlog ar hyd yr echelin ceudod (cyfeiriad hydredol) y mae golau allyriad ysgogol yn ei ffurfio, gelwir y rhain yn foddau hydredol (mae gwahanol foddau yn cyfateb i wahanol ddosbarthiadau maes).
4) Amod trothwy ar gyfer osciliad. Yr enw ar y terfyn cynnydd lleiaf y gall laser gynhyrchu osgiliad laser arno yw cyflwr trothwy'r laser (mae gan geudod F{{2}P golledion, ac mae adlewyrchiad golau a phlygiant o ddrychau hefyd yn defnyddio ffotonau yn barhaus). Os yw Gu yn cynrychioli’r cyfernod cynnydd trothwy, yna’r amod trothwy ar gyfer osgiliad yw:
Yn y fformiwla, a yw cyfernod colli y deunydd gweithredol yn y ceudod resonant optegol; L yw hyd ceudod y ceudod resonant optegol; ac a ydynt yn gyfernodau adlewyrchiad o ddau ddrych y ceudod soniarus optegol.