Işık kaynakları elektrik sinyallerinden sinyallere dönüşümü sağlaroptik sinyallerve optik vericilerin ve fiber optik iletişim sistemlerinin temel bileşenleridir. Performansları, fiber optik iletişim sisteminin performans ve kalite göstergelerini doğrudan etkiler. Bu bölümde temel olarak iki tür ışık kaynağının yapısı, çalışma prensibi ve ilgili özellikleri tanıtılmaktadır: lazer diyotlar (LD'ler, aynı zamanda lazerler olarak da bilinir) ve ışık-yayan diyotlar (LED'ler) ve bunların teknik özellikleri sağlanmaktadır.
Lazerlerle ilgili çeşitli fiziksel kavramlar
Foton kavramı
Einstein'ın kuantum ışık teorisi, ışığın enerjili fotonlardan oluştuğunu belirtirhf, burada h=6.628 × 10⁻13J·s, Planck sabiti olarak bilinir ve f, ışık dalgasının frekansıdır. Bu fotonlara foton denir.
Işık madde ile etkileşime girdiğinde, fotonun enerjisi bir bütün olarak emilir veya yayılır, bu da ışığın dalga-parçacık ikiliği teorisini oluşturur.
Atom enerjisi seviyesi
Yarı iletken kristallerde, atom çekirdeğinin dışındaki elektronların yörüngeleri, bitişik atomların ortak hareketi nedeniyle değişen derecelerde örtüşür. Şekil 3-1'de gösterildiği gibi, kristaldeki enerji seviyeleri artık tek bir atoma ait değildir; daha geniş bir alanda, hatta kristalin tamamında hareket edebilirler. Başka bir deyişle orijinal enerji seviyeleri enerji bantlarına dönüşmüştür. En dıştaki enerji seviyelerinin oluşturduğu enerji bandına iletim bandı, içteki enerji bantlarına ise valans bandı adı verilir. Aralarındaki aralıklarda elektron yoktur; bu aralığa bant aralığı denir.
Şekil 3-1 Bir kristaldeki enerji seviyeleri
Işık ve madde arasındaki etkileşimin üç modu
Işık ve madde arasındaki etkileşim, üç fiziksel süreç dahil olmak üzere ışık ve atomlar arasındaki etkileşime indirgenebilir: uyarılmış absorpsiyon, kendiliğinden emisyon ve uyarılmış emisyon. Bu üç etkileşim modunun enerji seviyeleri ve elektronik geçişleri Şekil 3-2'de gösterilmektedir.
Şekil 3-2 Işık ve madde arasındaki üç etkileşim modunda enerji seviyeleri ve elektronik geçişler.
1) Normal koşullar altında elektronlar genellikle düşük enerji seviyesinde E'dir.a. Gelen ışığın etkisi altında elektronlar fotonun enerjisini emer ve yüksek enerji seviyesine E geçiş yapar.2, bir fotoakım üretiyor. Bu geçişe uyarılmış emilim denir. Bu bir fotodedektörün çalışma prensibidir.
2) Yüksek enerji seviyesindeki E elektronları2istikrarsızlar. Dışarıdan bir kuvvet olmasa bile kendiliğinden düşük enerji seviyesi E'ye geçecekler.a, deliklerle yeniden birleşir ve dışarıya yayılan fotonlara dönüştürülen enerjiyi serbest bırakır. Bu geçişe kendiliğinden emisyon denir. Bu, ışık-yayan diyotun (LED) çalışma prensibidir. Kendiliğinden yayılan ışık tutarsız ışıktır.
3) Yüksek enerji seviyesindeki bir elektron E olduğundaah enerjili harici bir foton tarafından uyarılırf, düşük enerji seviyesi E'ye geçmek zorunda kalıra, deliklerle yeniden birleşir ve aynı anda uyarılma ışığıyla aynı frekans, faz ve yöne sahip bir foton (özdeş foton olarak adlandırılır) salar.
Bu süreç harici bir fotonun uyarılması altında oluştuğundan bu geçişe uyarılmış emisyon adı verilir. Bu lazerin çalışma prensibidir. Uyarılmış emisyon ışığı tutarlı ışıktır.
Popülasyonun tersine çevrilmesi ve ışık amplifikasyonu
Uyarılmış emisyon lazer üretiminin anahtarıdır. Alt enerji seviyesindeki parçacık yoğunluğu N, yüksek enerji seviyesindeki parçacık yoğunluğu N² olsun. Normal koşullar altında N > N², yani uyarılmış absorpsiyonun her zaman uyarılmış emisyonu aştığı anlamına gelir; yani termal denge altında madde ışığı yükseltemez.
Maddenin ışığı güçlendirmesi için, N² > N olsa bile uyarılmış emisyonun uyarılmış emilimi aşması gerekir (daha yüksek enerji seviyelerindeki elektronların sayısı, daha düşük enerji seviyelerindeki sayıdan daha fazladır). Parçacık sayılarının bu anormal dağılımına popülasyonun ters çevrilmesi adı verilir.
Popülasyonun tersine çevrilmesi, bir maddenin ışık amplifikasyonu üretmesi ve ışık yayması için birincil koşuldur.
Doğrudan bant aralığı ve dolaylı bant aralığı yarı iletkenleri
Uyarılmış ışık emisyonunda enerji ve momentumun korunması gerekir. Bant aralığı şekli momentumla ilgilidir; bant aralığı şekline bağlı olarak yarı iletkenler, Şekil 3-3'te gösterildiği gibi doğrudan bant aralığı ve dolaylı bant aralığı türlerine ayrılabilir. Doğrudan bant aralıklı yarı iletkenlerde, iletim bandının minimum enerji seviyesi ve değerlik bandının maksimum enerji seviyesi aynı momentuma sahiptir ve elektronlar dikey olarak geçiş yaparak Şekil 3-3a'da gösterildiği gibi yüksek ışık verimliliği sağlar. Dolaylı bant aralıklı yarı iletkenlerde, Şekil 3-3b'de gösterildiği gibi, elektron geçişlerinde momentum korunumunu sürdürmek için diğer parçacıkların katılması gerekir. Işık yayan cihazların imalatında yalnızca doğrudan bant aralıklı yarı iletken malzemeler kullanılabilir; bu malzemeler GaAs, AlGaAs, InP ve InGaAsP'yi içerir.
Şekil 3-3 Doğrudan bant aralığı ve dolaylı bant aralığı yarı iletkenleri
Lazer prensibi
Yarı iletken lazer, aktif ortamı olarak yarı iletken malzemeleri kullanan bir lazerdir; buna aynı zamanda yarı iletken lazer kendi-osilatörü de denir.
Bir lazerin lazer ışığı yayması için aşağıdaki üç koşulun karşılanması gerekir: Lazer ışığı üretebilen çalışan bir maddenin (aktive edici madde olarak da adlandırılır) mevcut olması gerekir; çalışma maddesini popülasyonun tersine çevrilmesi durumuna getirebilecek bir uyarma kaynağı (aynı zamanda pompa kaynağı olarak da adlandırılır) bulunmalıdır; frekans seçimi ve geri bildirim yapabilen bir optik rezonatör bulunmalıdır.
(1) Lazer ışığı üretebilen çalışma maddesi, popülasyonun ters çevrilmesi dağılımını sağlayabilen maddedir. Etkinleştirildikten sonra çalışma maddesine etkinleştirici madde veya kazanç maddesi adı verilir ve bu, lazer üretimi için gerekli bir durumdur.
(2) Pompa kaynağı, çalışma maddesinin bir popülasyon inversiyon dağılımı elde etmesine neden olan harici bir uyarma kaynağıdır. Pompa kaynağının etkisi altında, Ni> Hi, uyarılmış emisyonun uyarılmış emilimden daha fazla olmasına neden olur, böylece ışığı güçlendirir.
(3) Optik rezonatör: Aktive edici madde yalnızca ışığı güçlendirebilir. Yalnızca gerekli geri bildirimi sağlamak ve ışığın frekansını ve yönünü seçmek için aktifleştirici maddenin bir optik rezonatöre yerleştirilmesiyle sürekli ışık amplifikasyonu ve lazer salınımı çıkışı elde edilebilir. Aktifleştirici madde ve optik rezonatör, lazer salınımının üretilmesi için gerekli koşullardır.
1) Optik rezonans boşluğunun yapısı. Optik rezonans boşluğunun yapısı Şekil 3-4'te gösterilmektedir. Aktive edici malzemenin her iki ucunda uygun konumlara sırasıyla yansıma katsayıları r1 ve r2 olan iki paralel ayna (M1 ve M2) yerleştirilerek, Fabry-Perot boşluğu veya FP boşluğu olarak da adlandırılan en basit optik rezonans boşluğu oluşturulur.
Aynalar düz ayna ise buna düzlem boşluğu denir; aynalar küresel ayna ise buna küresel boşluk denir. İki aynadan birinin ışığı tamamen yansıtabilmesi, diğerinin ise kısmen yansıtabilmesi gerekir.
Şekil 3-4 Optik rezonans boşluğunun yapısı
2) Rezonans boşluğunda lazer üretiminin salınım süreci. Bir lazerin şematik diyagramı Şekil 3-5'te gösterilmektedir. Çalışma ortamı, pompa kaynağının etkisi altında popülasyonun tersine dönmesini sağladığında, kendiliğinden emisyon üretilir. Kendiliğinden emisyonun yönü optik rezonans boşluğunun eksenine paralel değilse, rezonans boşluğunun dışına yansıtılır. Yalnızca rezonans boşluğunun eksenine paralel kendiliğinden emisyon mevcut olabilir ve ileriye doğru devam edebilir. Daha yüksek enerji seviyesindeki bir parçacıkla karşılaştığında, uyarılmış bir geçiş başlatır ve yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine geçişte aynı fotonu yayar; buna uyarılmış emisyon denir. Uyarılmış emisyon ışığı rezonans boşluğu içinde bir kez ileri geri yansıdığında ve faz değişimi tam olarak 2π'nin tamsayı katı olduğunda, aynı yönde yayılan birkaç uyarılmış emisyon ışığı birbirini güçlendirerek rezonans üretir. Belirli bir yoğunluğa ulaştıktan sonra kısmi ayna M2 aracılığıyla iletilerek düz bir lazer ışını oluşturulur. Dengeye ulaşıldığında, rezonans boşluğu içindeki her gidiş-dönüş sırasında uyarılmış emisyon ışığı tarafından güçlendirilen enerji, tüketilen enerjiyi tam olarak iptal eder ve bu noktada lazer kararlı bir çıktıyı korur.
Şekil 3-5 Lazerin şematik diyagramı
3) Optik rezonans boşluğunun rezonans durumu ve rezonans frekansı. Rezonans boşluğunun uzunluğu L olsun, o zaman rezonans boşluğunun rezonans koşulu şöyledir:
Formülde c, ışığın boşluktaki hızıdır; λ lazer dalga boyudur; n, aktive edici malzemenin kırılma indisidir; L, optik rezonans boşluğunun boşluk uzunluğudur; ve boylamasına mod numarasıdır,=1, 2, 3.
Rezonans boşluğu, yalnızca ışık dalgası tatmin edici denklemin (3-1) dalga boyuna veya ışık dalgası tatmin edici denklemin (3-2) frekansına pozitif geri bildirim sağlar, bunların boşluk içinde birbirlerini güçlendirmelerine ve lazer ışığı oluşturmak üzere rezonansa girmelerine neden olur.
Uyarılmış emisyon ışığı yalnızca boşluk ekseni (boyuna yön) boyunca duran dalgalar oluşturduğundan, bunlara boylamsal modlar denir (farklı modlar, farklı alan dağılımlarına karşılık gelir).
4) Salınım için eşik koşulu. Bir lazerin lazer salınımı üretebileceği minimum kazanç sınırına, lazerin eşik koşulu adı verilir (F-P boşluğunda kayıplar vardır ve aynalardan gelen ışık yansıması ve kırılması da sürekli olarak foton tüketir). Gu eşik kazanç katsayısını temsil ediyorsa salınım için eşik koşulu şöyledir:
Formülde aktif maddenin optik rezonans boşluğundaki kayıp katsayısı; L, optik rezonans boşluğunun boşluk uzunluğudur; ve ve optik rezonans boşluğunun iki aynasının yansıma katsayılarıdır.