As fontes de luz permitem a conversão de sinais elétricos emsinais ópticose são componentes principais de transmissores ópticos e sistemas de comunicação de fibra óptica. Seu desempenho afeta diretamente os indicadores de desempenho e qualidade do sistema de comunicação por fibra óptica. Esta seção apresenta principalmente a estrutura, o princípio de funcionamento e as características relacionadas de dois tipos de fontes de luz: diodos laser (LDs, também conhecidos como lasers) e diodos emissores de luz (LEDs), e fornece suas especificações técnicas.
Vários conceitos físicos relacionados a lasers
O conceito de fótons
A teoria quântica da luz de Einstein afirma que a luz é composta de fótons com energiaalta frequência, onde h=6.628 × 10⁻13J·s, conhecida como constante de Planck, ef é a frequência da onda de luz. Esses fótons são chamados de fótons.
Quando a luz interage com a matéria, a energia do fóton é absorvida ou emitida como um todo, estabelecendo a teoria da dualidade onda-partícula da luz.
Nível de energia atômica
Nos cristais semicondutores, as órbitas dos elétrons fora dos núcleos atômicos se sobrepõem em graus variados devido ao movimento compartilhado dos átomos adjacentes. Conforme mostrado na Figura 3-1, os níveis de energia no cristal não pertencem mais a nenhum átomo; eles podem se mover por uma área mais ampla, até mesmo por todo o cristal. Em outras palavras, os níveis de energia originais foram transformados em faixas de energia. A banda de energia formada pelos níveis de energia mais externos é chamada de banda de condução, e as bandas de energia internas são chamadas de banda de valência. Não existem elétrons nos intervalos entre eles; esse intervalo é chamado de band gap.
Figura 3-1 Níveis de energia em um cristal
Três modos de interação entre luz e matéria
A interação entre luz e matéria pode ser reduzida à interação entre luz e átomos, incluindo três processos físicos: absorção estimulada, emissão espontânea e emissão estimulada. Os níveis de energia e as transições eletrônicas desses três modos de interação são mostrados na Figura 3-2.
Figura 3-2 Níveis de energia e transições eletrônicas em três modos de interação entre luz e matéria.
1) Em condições normais, os elétrons geralmente estão em um nível de energia baixo Ea. Sob a influência da luz incidente, os elétrons absorvem a energia do fóton e fazem a transição para um nível de alta energia E2, gerando uma fotocorrente. Essa transição é chamada de absorção estimulada. Este é o princípio de funcionamento de um fotodetector.
2) Elétrons no nível de alta energia E2são instáveis. Mesmo sem força externa, eles farão a transição espontânea para o nível de baixa energia Ea, recombinam-se com buracos e liberam energia convertida em fótons que são irradiados para fora. Essa transição é chamada de emissão espontânea. Este é o princípio de funcionamento de um diodo-emissor de luz (LED). A luz emitida espontaneamente é uma luz incoerente.
3) Quando um elétron no nível de alta energia Eaé excitado por um fóton externo com energia hf, é forçado a fazer a transição para o nível de baixa energia Ea, recombinam-se com buracos e liberam simultaneamente um fóton com a mesma frequência, fase e direção da luz de excitação (chamado de fóton idêntico).
Como esse processo é gerado sob a excitação de um fóton externo, essa transição é chamada de emissão estimulada. Este é o princípio de funcionamento de um laser. A luz de emissão estimulada é uma luz coerente.
Inversão populacional e amplificação de luz
A emissão estimulada é fundamental para a geração do laser. Deixe a densidade das partículas no nível de energia mais baixo ser N, e a densidade das partículas no nível de energia mais alto ser N². Em condições normais, N > N², ou seja, a absorção estimulada sempre excede a emissão estimulada; isto é, em equilíbrio térmico, a matéria não pode amplificar a luz.
Para que a matéria amplifique a luz, a emissão estimulada deve exceder a absorção estimulada, mesmo que N² > N (o número de elétrons em níveis de energia mais elevados é maior que o número em níveis de energia mais baixos). Esta distribuição anormal do número de partículas é chamada de inversão populacional.
A inversão populacional é a condição primária para que uma substância produza amplificação de luz e emita luz.
Semicondutores bandgap direto e bandgap indireto
Na emissão estimulada de luz, a energia e o momento devem ser conservados. O formato do band gap está relacionado ao momento; com base no formato do band gap, os semicondutores podem ser divididos em tipos de band gap direto e band gap indireto, conforme mostrado na Figura 3-3. Em semicondutores de band gap direto, o nível mínimo de energia da banda de condução e o nível máximo de energia da banda de valência têm o mesmo momento, e os elétrons transitam verticalmente, resultando em alta eficiência luminosa, conforme mostrado na Figura 3-3a. Em semicondutores de band gap indireto, outras partículas devem participar para manter a conservação do momento para as transições de elétrons, como mostrado na Figura 3-3b. Somente materiais semicondutores com gap direto podem ser usados para fabricar dispositivos emissores de luz; esses materiais incluem GaAs, AlGaAs, InP e InGaAsP.
Figura 3-3 Semicondutores de bandgap direto e bandgap indireto
Princípio do laser
Um laser semicondutor é um laser que utiliza materiais semicondutores como meio ativo; ele também é chamado de auto-oscilador de laser semicondutor.
Para que um laser emita luz laser, as três condições a seguir devem ser atendidas: deve haver uma substância funcional (também chamada de substância ativadora) capaz de gerar luz laser; deve haver uma fonte de excitação (também chamada de fonte de bomba) capaz de colocar a substância ativa em um estado de inversão populacional; e deve haver um ressonador óptico capaz de realizar seleção de frequência e feedback.
(1) A substância de trabalho capaz de gerar luz laser é aquela que pode atingir uma distribuição de inversão populacional. Uma vez ativada, a substância ativa é chamada de substância ativadora ou substância de ganho, e é uma condição necessária para a geração do laser.
(2) A fonte da bomba é uma fonte de excitação externa que faz com que a substância de trabalho atinja uma distribuição de inversão populacional. Sob a ação da fonte da bomba, Ni>Ni, resultando em emissão estimulada maior que a absorção estimulada, amplificando assim a luz.
(3) O ressonador óptico: A substância ativadora só pode amplificar a luz. Somente colocando a substância ativadora em um ressonador óptico para fornecer o feedback necessário e selecionar a frequência e a direção da luz é que a amplificação contínua da luz e a saída de oscilação do laser podem ser obtidas. A substância ativadora e o ressonador óptico são condições necessárias para gerar a oscilação do laser.
1) Estrutura de uma cavidade ressonante óptica. A estrutura de uma cavidade ressonante óptica é mostrada na Figura 3-4. Ao colocar dois espelhos paralelos, M1 e M2, com coeficientes de reflexão r1 e r2 respectivamente, em posições apropriadas em ambas as extremidades do material de ativação, a cavidade ressonante óptica mais simples é formada, também chamada de cavidade Fabry-Perot ou cavidade FP.
Se os espelhos forem espelhos planos, isso é chamado de cavidade plana; se os espelhos forem espelhos esféricos, é chamada de cavidade esférica. Dos dois espelhos, um deve ser capaz de refletir a luz completamente e o outro deve ser capaz de refletir parcialmente.
Figura 3-4 Estrutura de uma cavidade ressonante óptica
2) O processo de oscilação da geração do laser em uma cavidade ressonante. Um diagrama esquemático de um laser é mostrado na Figura 3-5. Quando o meio de trabalho atinge a inversão populacional sob a ação da fonte da bomba, é gerada uma emissão espontânea. Se a direção da emissão espontânea não for paralela ao eixo da cavidade ressonante óptica, ela será refletida para fora da cavidade ressonante. Somente a emissão espontânea paralela ao eixo da cavidade ressonante pode existir e continuar adiante. Quando encontra uma partícula com um nível de energia mais elevado, induz uma transição estimulada, emitindo um fotão idêntico na transição do nível de energia mais elevado para o nível de energia mais baixo – isto é uma emissão estimulada. Quando a luz de emissão estimulada reflete para frente e para trás uma vez dentro da cavidade ressonante, e a mudança de fase é exatamente um múltiplo inteiro de 2π, várias luzes de emissão estimulada que se propagam na mesma direção reforçam-se mutuamente, produzindo ressonância. Após atingir determinada intensidade, é transmitido através do espelho parcial M2, formando um feixe de laser reto. Quando o equilíbrio é alcançado, a energia amplificada pela emissão de luz estimulada durante cada viagem de ida e volta dentro da cavidade ressonante cancela exatamente a energia consumida, ponto em que o laser mantém uma saída estável.
Figura 3-5 Diagrama esquemático do laser
3) Condição de ressonância e frequência ressonante de uma cavidade ressonante óptica. Seja o comprimento da cavidade ressonante L, então a condição de ressonância da cavidade ressonante é:
Na fórmula, c é a velocidade da luz no vácuo; λ é o comprimento de onda do laser; n é o índice de refração do material ativador; L é o comprimento da cavidade ressonante óptica; e é o número do modo longitudinal,=1, 2, 3.
A cavidade ressonante fornece feedback positivo apenas para o comprimento de onda da equação de satisfação da onda de luz (3-1) ou a frequência da equação de satisfação da onda de luz (3-2), fazendo com que eles se reforcem dentro da cavidade e ressoem para formar luz laser.
Como a luz de emissão estimulada forma apenas ondas estacionárias ao longo do eixo da cavidade (direção longitudinal), estes são chamados de modos longitudinais (diferentes modos correspondem a diferentes distribuições de campo).
4) Condição limite para oscilação. O limite mínimo de ganho no qual um laser pode produzir oscilação do laser é chamado de condição limite do laser (a cavidade F-P tem perdas, e a reflexão e a refração da luz dos espelhos também consomem fótons continuamente). Se Gu representa o coeficiente de ganho limite, então a condição limite para oscilação é:
Na fórmula, é o coeficiente de perda do material ativo na cavidade ressonante óptica; L é o comprimento da cavidade ressonante óptica; e e são os coeficientes de reflexão dos dois espelhos da cavidade ressonante óptica.