Sumber cahaya memungkinkan konversi dari sinyal listrik menjadisinyal optikdan merupakan komponen inti pemancar optik dan sistem komunikasi serat optik. Kinerjanya secara langsung mempengaruhi indikator kinerja dan kualitas sistem komunikasi serat optik. Bagian ini terutama memperkenalkan struktur, prinsip kerja, dan karakteristik terkait dari dua jenis sumber cahaya: dioda laser (LD, juga dikenal sebagai laser) dan dioda pemancar cahaya (LED), serta memberikan spesifikasi teknisnya.
Beberapa konsep fisik yang berhubungan dengan laser
Konsep foton
Teori kuantum cahaya Einstein menyatakan bahwa cahaya terdiri dari foton dengan energihf, dimana h=6.628 × 10⁻13J·s, dikenal sebagai konstanta Planck, dan f adalah frekuensi gelombang cahaya. Foton ini disebut foton.
Saat cahaya berinteraksi dengan materi, energi foton diserap atau dipancarkan secara keseluruhan, sehingga membentuk teori dualitas gelombang-partikel cahaya.
Tingkat energi atom
Dalam kristal semikonduktor, orbit elektron di luar inti atom tumpang tindih hingga tingkat yang berbeda-beda karena pergerakan bersama atom-atom yang berdekatan. Seperti ditunjukkan pada Gambar 3-1, tingkat energi dalam kristal tidak lagi dimiliki oleh atom tunggal mana pun; mereka dapat berpindah ke area yang lebih luas, bahkan ke seluruh kristal. Dengan kata lain, tingkat energi asli telah diubah menjadi pita energi. Pita energi yang dibentuk oleh tingkat energi terluar disebut pita konduksi, dan pita energi dalam disebut pita valensi. Tidak ada elektron dalam interval di antara keduanya; interval ini disebut celah pita.
Gambar 3-1 Tingkat energi dalam kristal
Tiga mode interaksi antara cahaya dan materi
Interaksi antara cahaya dan materi dapat direduksi menjadi interaksi antara cahaya dan atom, termasuk tiga proses fisik: penyerapan terstimulasi, emisi spontan, dan emisi terstimulasi. Tingkat energi dan transisi elektronik dari ketiga mode interaksi ini ditunjukkan pada Gambar 3-2.
Gambar 3-2 Tingkat energi dan transisi elektronik dalam tiga mode interaksi antara cahaya dan materi.
1) Dalam kondisi normal, elektron biasanya berada pada tingkat energi E yang rendaha. Di bawah pengaruh cahaya datang, elektron menyerap energi foton dan bertransisi ke tingkat energi tinggi E2, menghasilkan arus foto. Transisi ini disebut penyerapan terstimulasi. Ini adalah prinsip kerja fotodetektor.
2) Elektron pada tingkat energi tinggi E2tidak stabil. Bahkan tanpa kekuatan eksternal, mereka akan secara spontan bertransisi ke tingkat energi rendah Ea, bergabung kembali dengan lubang, dan melepaskan energi yang diubah menjadi foton yang dipancarkan ke luar. Transisi ini disebut emisi spontan. Ini adalah prinsip kerja-dioda pemancar cahaya (LED). Cahaya yang dipancarkan secara spontan adalah cahaya yang tidak koheren.
3) Ketika sebuah elektron berada pada tingkat energi tinggi Eatereksitasi oleh foton luar dengan energi hf, ia terpaksa bertransisi ke tingkat energi rendah Ea, bergabung kembali dengan lubang, dan secara bersamaan melepaskan foton dengan frekuensi, fase, dan arah yang sama dengan cahaya eksitasi (disebut foton identik).
Karena proses ini dihasilkan oleh eksitasi foton eksternal, transisi ini disebut emisi terstimulasi. Ini adalah prinsip kerja laser. Cahaya emisi terstimulasi adalah cahaya koheren.
Inversi populasi dan amplifikasi cahaya
Emisi terstimulasi adalah kunci generasi laser. Misalkan massa jenis partikel pada tingkat energi yang lebih rendah adalah N, dan massa jenis partikel pada tingkat energi yang lebih tinggi adalah N². Dalam kondisi normal, N > N², artinya penyerapan terstimulasi selalu melebihi emisi terstimulasi; artinya, dalam kesetimbangan termal, materi tidak dapat memperkuat cahaya.
Agar suatu zat dapat memperkuat cahaya, emisi terstimulasi harus melebihi penyerapan terstimulasi, meskipun N² > N (jumlah elektron pada tingkat energi yang lebih tinggi lebih besar daripada jumlah elektron pada tingkat energi yang lebih rendah). Distribusi jumlah partikel yang tidak normal ini disebut inversi populasi.
Inversi populasi adalah kondisi utama suatu zat untuk menghasilkan amplifikasi cahaya dan memancarkan cahaya.
Semikonduktor celah pita langsung dan celah pita tidak langsung
Dalam emisi cahaya terstimulasi, energi dan momentum harus dilestarikan. Bentuk celah pita berhubungan dengan momentum; berdasarkan bentuk celah pitanya, semikonduktor dapat dibedakan menjadi jenis celah pita langsung dan celah pita tidak langsung, seperti terlihat pada Gambar 3-3. Dalam semikonduktor celah pita langsung, tingkat energi minimum pita konduksi dan tingkat energi maksimum pita valensi memiliki momentum yang sama, dan transisi elektron secara vertikal, menghasilkan efisiensi cahaya yang tinggi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3-3a. Dalam semikonduktor celah pita tidak langsung, partikel lain harus berpartisipasi untuk menjaga kekekalan momentum transisi elektron, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3-3b. Hanya bahan semikonduktor celah pita langsung yang dapat digunakan untuk membuat perangkat pemancar cahaya; bahan-bahan ini termasuk GaAs, AlGaAs, InP, dan InGaAsP.
Gambar 3-3 Semikonduktor celah pita langsung dan tidak langsung
Prinsip laser
Laser semikonduktor adalah laser yang menggunakan bahan semikonduktor sebagai media aktifnya; ini juga disebut osilator mandiri laser semikonduktor.
Agar laser dapat memancarkan sinar laser, tiga kondisi berikut harus dipenuhi: harus ada zat yang bekerja (juga disebut zat pengaktif) yang mampu menghasilkan sinar laser; harus ada sumber eksitasi (juga disebut sumber pompa) yang mampu mengubah zat kerja menjadi keadaan inversi populasi; dan harus ada resonator optik yang mampu melakukan pemilihan frekuensi dan umpan balik.
(1) Zat kerja yang mampu menghasilkan sinar laser adalah zat yang dapat mencapai distribusi inversi populasi. Setelah diaktifkan, zat yang bekerja disebut zat pengaktif atau zat penguat, dan ini merupakan kondisi yang diperlukan untuk pembangkitan laser.
(2) Sumber pompa merupakan sumber eksitasi eksternal yang menyebabkan zat kerja mencapai distribusi inversi populasi. Di bawah aksi sumber pompa, Ni> Ni, menghasilkan emisi terstimulasi lebih besar daripada penyerapan terstimulasi, sehingga memperkuat cahaya.
(3) Resonator optik: Zat pengaktif hanya dapat memperkuat cahaya. Hanya dengan menempatkan zat pengaktif dalam resonator optik untuk memberikan umpan balik yang diperlukan dan memilih frekuensi dan arah cahaya, amplifikasi cahaya terus menerus dan keluaran osilasi laser dapat diperoleh. Zat pengaktif dan resonator optik merupakan kondisi yang diperlukan untuk menghasilkan osilasi laser.
1) Struktur rongga resonansi optik. Struktur rongga resonansi optik ditunjukkan pada Gambar 3-4. Dengan menempatkan dua cermin paralel, M1 dan M2, dengan koefisien refleksi r1 dan r2 masing-masing, pada posisi yang sesuai di kedua ujung bahan pengaktif, rongga resonansi optik paling sederhana akan terbentuk, juga disebut rongga Fabry-Perot atau rongga FP.
Jika cerminnya adalah cermin bidang, maka disebut rongga bidang; jika cerminnya adalah cermin bola maka disebut rongga bola. Dari kedua cermin tersebut, yang satu harus mampu memantulkan cahaya seluruhnya, dan yang lainnya harus mampu memantulkan sebagian.
Gambar 3-4 Struktur rongga resonansi optik
2) Proses osilasi pembangkitan laser dalam rongga resonansi. Diagram skematik laser ditunjukkan pada Gambar 3-5. Ketika media kerja mencapai inversi populasi di bawah pengaruh sumber pompa, emisi spontan dihasilkan. Jika arah pancaran spontan tidak sejajar dengan sumbu rongga resonansi optik, maka akan dipantulkan keluar rongga resonansi. Hanya pancaran spontan yang sejajar dengan sumbu rongga resonansi yang dapat eksis dan berlanjut ke depan. Ketika ia bertemu dengan partikel pada tingkat energi yang lebih tinggi, ia menginduksi transisi terstimulasi, memancarkan foton identik dalam transisi dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah—ini disebut emisi terstimulasi. Ketika cahaya emisi terstimulasi dipantulkan bolak-balik satu kali dalam rongga resonansi, dan perubahan fasanya merupakan kelipatan bilangan bulat 2π, beberapa lampu emisi terstimulasi merambat dalam arah yang sama saling memperkuat, menghasilkan resonansi. Setelah mencapai intensitas tertentu, ditransmisikan melalui cermin parsial M2, membentuk sinar laser lurus. Ketika keseimbangan tercapai, energi yang diperkuat oleh cahaya emisi terstimulasi selama setiap perjalanan bolak-balik dalam rongga resonansi akan menghilangkan energi yang dikonsumsi, pada titik mana laser mempertahankan keluaran yang stabil.
Gambar 3-5 Diagram skematik laser
3) Kondisi resonansi dan frekuensi resonansi rongga resonansi optik. Misalkan panjang rongga resonansi adalah L, maka kondisi resonansi rongga resonansi adalah:
Dalam rumusnya, c adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa; λ adalah panjang gelombang laser; n adalah indeks bias bahan pengaktif; L adalah panjang rongga rongga resonansi optik; dan merupakan nomor mode memanjang,=1, 2, 3.
Rongga resonansi memberikan umpan balik positif hanya pada panjang gelombang gelombang cahaya yang memenuhi persamaan (3-1) atau frekuensi gelombang cahaya yang memenuhi persamaan (3-2), menyebabkan keduanya saling menguatkan di dalam rongga dan beresonansi membentuk sinar laser.
Karena emisi cahaya terstimulasi hanya membentuk gelombang berdiri di sepanjang sumbu rongga (arah memanjang), ini disebut mode longitudinal (mode berbeda sesuai dengan distribusi medan berbeda).
4) Kondisi ambang osilasi. Batas penguatan minimum di mana laser dapat menghasilkan osilasi laser disebut kondisi ambang batas laser (rongga F-P mengalami kerugian, dan pantulan serta pembiasan cahaya dari cermin juga terus mengonsumsi foton). Jika Gu mewakili koefisien penguatan ambang batas, maka kondisi ambang batas untuk osilasi adalah:
Dalam rumusnya, adalah koefisien hilangnya bahan aktif dalam rongga resonansi optik; L adalah panjang rongga rongga resonansi optik; dan dan adalah koefisien refleksi dari dua cermin rongga resonansi optik.
