Ljósgjafar gera kleift að breyta frá rafmerkjum tilsjónmerkiog eru kjarnaþættir ljóssenda og ljósleiðarasamskiptakerfa. Frammistaða þeirra hefur bein áhrif á frammistöðu- og gæðavísa ljósleiðarasamskiptakerfisins. Þessi hluti kynnir aðallega uppbyggingu, vinnureglu og tengda eiginleika tvenns konar ljósgjafa: leysidíóða (LD, einnig þekkt sem leysir) og ljósdíóða-emitting díóða (LED), og veitir tækniforskriftir þeirra.
Nokkur eðlisfræðileg hugtök sem tengjast leysigeislum
Hugmyndin um ljóseindir
Skammtakenning Einsteins um ljós segir að ljós sé samsett úr ljóseindum með orkuhf, þar sem h=6.628 × 10⁻13J·s, þekktur sem Plancks fasti, og f er tíðni ljósbylgjunnar. Þessar ljóseindir eru kallaðar ljóseindir.
Þegar ljós hefur víxlverkun við efni er orka ljóseindarinnar frásoguð eða send frá sér í heild sinni, sem kemur á fót bylgju-eindar tvíhyggjukenningunni um ljós.
Atómorkustig
Í hálfleiðarakristöllum skarast brautir rafeinda utan atómkjarna í mismiklum mæli vegna sameiginlegrar hreyfingar aðliggjandi atóma. Eins og sést á mynd 3-1 tilheyra orkustig kristalsins ekki lengur neinu einu atómi; þeir geta færst yfir stærra svæði, jafnvel um allan kristalinn. Með öðrum orðum, upprunalegu orkustigunum hefur verið breytt í orkubönd. Orkusviðið sem myndast af ystu orkustigunum er kallað leiðnibandið og innri orkusviðið kallast gildissviðið. Engar rafeindir eru til á bilinu á milli þeirra; þetta bil er kallað band bilið.
Mynd 3-1 Orkustig í kristal
Þrjár samspilsaðferðir ljóss og efnis
Hægt er að minnka samspil ljóss og efnis í samspil ljóss og frumeinda, þar á meðal þrjú eðlisfræðileg ferli: örvuð frásog, sjálfsprottinn losun og örvuð losun. Orkustig og rafræn umskipti þessara þriggja víxlverkunarhama eru sýnd á mynd 3-2.
Mynd 3-2 Orkustig og rafræn umskipti í þremur samspilsmátum ljóss og efnis.
1) Við venjulegar aðstæður eru rafeindir venjulega á lágu orkustigi Ea. Undir áhrifum innfallsljóss gleypa rafeindir orku ljóseindarinnar og fara yfir í hátt orkustig E2, myndar ljósstraum. Þessi umskipti kallast örvað frásog. Þetta er vinnuregla ljósnema.
2) Rafeindir í háorkustigi E2eru óstöðug. Jafnvel án utanaðkomandi krafts munu þeir sjálfkrafa skipta yfir í lágorkustigið Ea, sameinast aftur með holum og losa orku sem er breytt í ljóseindir sem geislast út á við. Þessi umskipti eru kölluð sjálfsprottinn losun. Þetta er starfsregla ljósdíóða-(LED). Sjálfgefið ljós er ósamhangandi ljós.
3) Þegar rafeind í háorkustigi Eaer örvað af ytri ljóseind með orku hf, það neyðist til að skipta yfir í lágorkustigið Ea, sameinast aftur með holum og losar samtímis ljóseind með sömu tíðni, fasa og stefnu og örvunarljósið (kallað sams konar ljóseind).
Þar sem þetta ferli er myndað við örvun ytri ljóseind er þessi umskipti kölluð örvuð losun. Þetta er vinnureglan um leysir. Örvað útblástursljós er samhangandi ljós.
Stofnviðskipti og ljósmögnun
Örvuð losun er lykillinn að leysiframleiðslu. Látum agnaþéttleika á neðra orkustigi vera N, og agnaþéttleika á hærra orkustigi vera N². Við venjulegar aðstæður, N > N², sem þýðir að örvað frásog er alltaf umfram örvaða losun; það er, við varmajafnvægi getur efni ekki magnað ljós.
Til þess að efni geti magnað ljós verður örvuð losun að vera meiri en örvuð frásog, jafnvel þótt N² > N (fjöldi rafeinda við hærra orkustig er meiri en fjöldinn við lægri orkustig). Þessi óeðlilega dreifing agnafjölda er kölluð íbúasnúning.
Population inversion er aðalskilyrðið fyrir efni til að framleiða ljósmögnun og gefa frá sér ljós.
Beint bandgap og óbeint bandgap hálfleiðarar
Í örvaðri losun ljóss verður að varðveita orku og skriðþunga. The band bil lögun er tengd skriðþunga; byggt á lögun bandbilsins, má skipta hálfleiðurum í bein band bil og óbeint band bil tegundir, eins og sýnt er á mynd 3-3. Í hálfleiðurum með beinbandsbili hafa lágmarksorkustig leiðnibandsins og hámarksorkustig gildissviðsins sama skriðþunga og rafeindir breytast lóðrétt, sem leiðir til mikillar ljósnýtni, eins og sýnt er á mynd 3-3a. Í óbeinum bandgapi hálfleiðurum verða aðrar agnir að taka þátt til að viðhalda skriðþunga fyrir rafeindabreytingar, eins og sýnt er á mynd 3-3b. Aðeins er hægt að nota hálfleiðara efni með beint bandbil til að búa til ljósgjafatæki; þessi efni innihalda GaAs, AlGaAs, InP og InGaAsP.
Mynd 3-3 Beint bandgap og óbeint bandgap hálfleiðarar
Laser meginreglan
Hálfleiðara leysir er leysir sem notar hálfleiðara efni sem virkan miðil; það er einnig kallað hálfleiðara leysir sjálfssveifla-.
Til þess að leysir gefi frá sér leysiljós verða eftirfarandi þrjú skilyrði að vera uppfyllt: það verður að vera virkt efni (einnig kallað virkjunarefni) sem getur myndað leysiljós; það verður að vera örvunargjafi (einnig kallaður dælugjafi) sem er fær um að koma vinnsluefninu í þýðisumhverfisástand; og það verður að vera optískur resonator sem getur framkvæmt tíðnival og endurgjöf.
(1) Vinnuefnið sem getur framleitt leysiljós er efnið sem getur náð þýðisdreifingu. Þegar það hefur verið virkjað er vinnuefnið kallað virkjunarefnið eða ávinningsefnið og það er nauðsynlegt skilyrði fyrir leysimyndun.
(2) Dælugjafinn er utanaðkomandi örvunargjafi sem veldur því að vinnsluefnið nær þýðisdreifingu. Undir virkni dælugjafans, Ni> Ni, sem leiðir til örvunar útblásturs sem er meiri en örvuð frásog, þannig að ljósið magnast upp.
(3) Optíski resonator: Virkjunarefnið getur aðeins magnað ljósið. Aðeins með því að setja virkjunarefnið í sjónræna resonator til að veita nauðsynlega endurgjöf og velja tíðni og stefnu ljóssins er hægt að fá samfellda ljósmögnun og leysisveifluútgang. Virkjunarefnið og ljósresonatorinn eru nauðsynleg skilyrði til að mynda leysisveiflu.
1) Uppbygging sjónómunarhols. Uppbygging ljósómunarhols er sýnd á mynd 3-4. Með því að setja tvo samhliða spegla, M1 og M2, með endurkaststuðlum r1 og r2 í sömu röð, á viðeigandi staði á báðum endum virkjunarefnisins, myndast einfaldasta sjónræna ómunaholið, einnig kallað Fabry-Perot hola eða FP hola.
Ef speglarnir eru flatir speglar er það kallað planhol; ef speglarnir eru kúluspeglar er það kallað kúlulaga holrúm. Af tveimur speglum verður annar að geta endurvarpað ljósinu að fullu og hinn verður að geta endurkastað að hluta.
Mynd 3-4 Uppbygging ljósómunarhols
2) Sveifluferli leysismyndunar í resonant hola. Skýringarmynd af leysir er sýnd á mynd 3-5. Þegar vinnslumiðillinn nær þýðisviðsnúningi undir áhrifum dælugjafans myndast sjálfkrafa losun. Ef stefna sjálfvirkrar útgeislunar er ekki samsíða ás sjón-ómunarholsins endurspeglast hún út úr ómunaholinu. Aðeins sjálfsprottinn losun samhliða ás ómunaholsins getur verið til og haldið áfram áfram. Þegar það rekst á ögn á hærra orkustigi, framkallar það örvað umskipti, sem gefur frá sér sömu ljóseind í umskiptum frá hærra orkustigi til lægra orkustigs - þetta er örvuð losun. Þegar örvað útblástursljósið endurkastast fram og til baka einu sinni í ómunaholinu og fasabreytingin er nákvæmlega heilt margfeldi af 2π, styrkja nokkur örvuð útgeislunarljós sem dreifast í sömu átt hvort annað og mynda ómun. Eftir að hafa náð ákveðnum styrkleika er það sent í gegnum hlutaspegil M2 og myndar beinan leysigeisla. Þegar jafnvægi er náð, dregur orkan sem magnað er upp af örvuðu útgeislunarljósinu í hverri ferð fram og til baka innan ómunarholsins nákvæmlega út orkuna sem neytt er, á þeim tímapunkti heldur leysirinn stöðugri útkomu.
Mynd 3-5 Skýringarmynd af leysir
3) Ómun ástand og ómun tíðni sjón-ómun hola. Látum lengd ómunarholsins vera L, þá er ómunarástand ómunarholsins:
Í formúlunni er c ljóshraði í lofttæmi; λ er leysibylgjulengdin; n er brotstuðull virkjunarefnisins; L er holalengd ljósómunarholsins; og er lengdarsniðsnúmerið,=1, 2, 3.
Ómunaholið veitir aðeins jákvæða endurgjöf á bylgjulengd ljósbylgjujöfnunnar (3-1) eða tíðni jöfnunnar sem fullnægir ljósbylgjunni (3-2), sem veldur því að þau styrkja hvort annað í holrúminu og enduróma til að mynda leysiljós.
Þar sem örvað útgeislunarljós myndar aðeins standbylgjur meðfram holaásnum (lengdarstefnu), eru þær kallaðar lengdarstillingar (mismunandi stillingar samsvara mismunandi dreifingu sviðs).
4) Þröskuldsskilyrði fyrir sveiflu. Lágmarksávinningsmörkin þar sem leysir getur framkallað leysisveiflu er kallað þröskuldsástand leysisins (F-P hola hefur tap og ljósendurkast og ljósbrot frá speglum neyta einnig stöðugt ljóseinda). Ef Gu táknar þröskuldsaukningastuðulinn, þá er þröskuldsskilyrðið fyrir sveiflu:
Í formúlunni er tapstuðull virka efnisins í sjónómunarholinu; L er holalengd ljósómunarholsins; og og eru endurkaststuðlar tveggja spegla ljósómunarholsins.
