Принцип действия некогерентных и когерентных источников излучения

В волоконно-оптических линиях передачи используются два вида источников оптического излучения: светодиоды (СИД) и полупроводниковые лазеры (ЛД). Рассмотрим их принцип действия.

Состояние электронов в полупроводнике характеризуется энергетическими зонами: верхняя - зона проводимости с энергией E_c и нижняя – зона валентных электронов с энергией E_υ (рис. 15.1). Между этими зонами находится так называемая запрещенная зона с энергией E_g .

Считается, что зона валентных электронов соответствует базовому (минимальному) энергетическому уровню. При тепловом равновесии почти все электроны находятся именно в этой зоне, то есть, сосредоточены и удерживаются в определенных местах кристаллической решетки полупроводника. Если к p-n-переходу полупроводника приложить напряжение смещения в прямом направлении, то через переход потечет электрический ток. Если количество добавляемой извне энергии значительно, то некоторые электроны, находящиеся на низком энергетическом уровне, приобретают добавочную энергию, переходят на более высокий уровень, то есть часть электронов, сконцентрированных в валентной зоне, переходит в зону проводимости. Это приводит к появлению свободных электронов, которые могут перемещаться внутри полупроводника. При этом в зоне валентных электронов на освобождающихся местах возникают положительно заряженные дырки. Дырки и свободные электроны являются носителями тока в полупроводнике. Свободные электроны, сталкиваясь с узлами кристаллической решетки или другими электронами, “падают” в зону валентных электронов и пара “электрон-дырка” исчезает.

Если “падение” на нижний энергетический уровень или в зону валентных электронов происходит без соударения, в таких случаях энергия, теряемая электроном, выделяется в виде фотона. Подобный процесс излучения называется спонтанным излучением. Такое излучение возникает в светодиодах.

Частота определяется разностью энергетических уровней E_g= E_c - E_υ, то есть шириной запрещенной энергетической зоны:

, (15.1)

где - скорость света в вакууме; - длина волны; E_g и h - энергия и постоянная Планка.

Формула (15.1) называется частотным условием Бора. Интенсивность света зависит от числа пар “электрон-дырка”.

Спонтанное оптическое излучение возникает при переходе любого электрона с одного энергетического уровня на другой. Но так как время переходов электронов не совпадает, то происходит наложение излучения, и возникают оптические волны с неодинаковой амплитудой и фазой, а вследствие этого наблюдается неоднородность и по частоте. Спонтанное излучение обладает низкой монохроматичностью, широкой диаграммой направленности, низкой интенсивностью, является некогерентным. Таким образом, для работы светодиода требуется активная среда и система накачки. Накачка осуществляется инжекционными токами.

В соответствии с законами квантовой механики в структурах с положительной обратной связью происходит не только спонтанное излучение, но и еще один процесс так называемое индуцированное (вынужденное) излучение. Суть вынужденного излучения состоит в том, что если на электрон, находящийся в зоне проводимости, падает свет с частотой , примерно равной частоте , определяемой по формуле (15.1), то возникает излучение с частотой и направлением падающего света. Причем первичный и вторичный фотон обладают одинаковыми квантовомеханическими характеристиками. Таким образом, к спонтанному добавляется вынужденное излучение. При вынужденном излучении происходит усиление излучения средой полупроводника (лавинообразное нарастание потока фотонов). Выноужденное излучение характеризуется высокой монохроматичностью, узкой направленностью, высокой интенсивностью, является когерентным. Для получения индуцированного излучения требуется активная среда, система накачки и система усиления.

По типу активной среды лазеры подразделяются на газовые, жидкостные, твердотельные, полупроводниковые. В системах передачи используются полупроводниковые лазеры.

Способы накачки также разнообразны: химические, оптические, инжекционные токи и другие.

Положительная обратная связь бывает двух типов: сосредоточенная и распределенная. Сосредоточенная обратная связь обеспечивается системой зеркал. В твердотельных и полупроводниковых лазерах роль зеркал выполняют полированные противоположные грани кристалла. Распределенная обратная связь обеспечивается решеткой из чередующихся областей с различными показателями преломления (обратная связь обеспечивается полным внутренним отражением от границ раздела таких областей).

Рассмотрим действие резонатора состоящего из 2-х параллельных плоских зеркал, одно из которых полупрозрачное (резонатор Фабри - Перо). Излучение возбужденных атомов активной среды многократно проходит между зеркалами резонатора. В результате в резонаторе формируется электромагнитное поле, представляющее собой набор стоячих волн. Из многих волн, возникающих в активной среде, усиливаться будут лишь те, длина волны которых на удвоенной длине резонатора (прямой и обратный проход) укладывается целое число раз. В этом случае прямая и обратная волна будет усиливаться в результате интерференции.

Длина волны λ из условия существования стоячих волн:

,

где L - длина резонатора, n - коэффициент преломления среды, N_z - число пересечений оси резонатора кривой распределения электрического поля моды.

Длина λ_n стоячей волны определяет тип колебаний резонатора (или моду). В резонаторе одновременно может возбуждаться много мод. Работу в узком диапазоне частот можно обеспечить, помещая внутрь резонатора селективный элемент, выделяющий одну из мод. Т.о., лазер является устройством, позволяющим сосредотачивать всю энергию излучения в конечном числе мод.

Оптический резонатор формирует и волновой фронт излучения. В результате многократного прохождения между зеркалами усиливаться будут только волны, распространяющиеся параллельно оси резонатора. Эти волны вовлекают в процесс излучения частицы, расположенные на их пути. Поэтому излучение выходит из резонатора почти параллельным пучком, т.е. имеет почти плоский волновой фронт (является узконаправленным). Волны распространяющиеся под углом к оси, не доходят до зеркал и покидают активную среду, не получив усиления. Линейный угол расходимости θ лазерного луча определяется лишь дифракцией на зеркалах и находится из выражения:

,

где D - диаметр пучка внутри резонатора.

Благодаря малой угловой расходимости лазерного излучения оно может быть сфокусировано на очень малой площади, линейный размер которой ≈ λ.

Лазерный эффект возникает, если общие потери в структуре с обратной связью меньше, чем усиление.

Для возникновения колебаний в лазере надо ввести в излучающую среду от внешнего источника энергию, необходимую для компенсации потерь в резонаторе и усиления оптического излучения. Минимальный необходимый для генерации коэффициент усиления S_min или так называемый пороговый коэффициент усиления, уравновешивающий потери α, выражается как:

.

Как уже отмечалось, в системах передачи используются полупроводниковые лазеры. Их основой является полупроводник объемом 1 мм³, с подведенными к нему металлическими электродами, выполненными из активного металла - арсенида галлия GaAs с соответствующими добавками (теллура, алюминия, кремния, цинка). Схема полупроводникового лазера изображена на рис. 15.2. Полупроводник содержит p-n-переход, через который при прямом напряжении смещения электроны инжектируют из n-области в p-область. В p-области происходит рекомбинация носителей (электронов и дырок) и освобождающаяся энергия излучается в виде света в диапазоне длин волн, определяемом составом полупроводникового материала.

В настоящее время в системах передачи в качестве источников оптического излучения, наряду с лазерами, применяется светоизлучающий диод, который представляет собой такой же полупроводник из арсенида галлия GaAs, но не имеет резонансного усиления.

Схема светодиода изображена на рис. 15.3. Все светодиоды можно разделить на две группы: с большой поверхностью излучения и низкой яркостью; с малой поверхностью и высокой яркостью.

По типу конструкций различают светодиоды с поверхностным излучателем и с боковым излучателем.