Les sources lumineuses permettent la conversion des signaux électriques ensignaux optiqueset sont des composants essentiels des émetteurs optiques et des systèmes de communication par fibre optique. Leurs performances affectent directement les indicateurs de performance et de qualité du système de communication par fibre optique. Cette section présente principalement la structure, le principe de fonctionnement et les caractéristiques associées de deux types de sources lumineuses : les diodes laser (LD, également appelées lasers) et les diodes électroluminescentes - (LED), et fournit leurs spécifications techniques.
Plusieurs concepts physiques liés aux lasers
Le concept de photons
La théorie quantique de la lumière d'Einstein stipule que la lumière est composée de photons dotés d'énergie.hf, où h=6.628 × 10⁻13J·s, connue sous le nom de constante de Planck, et f est la fréquence de l'onde lumineuse. Ces photons sont appelés photons.
Lorsque la lumière interagit avec la matière, l'énergie du photon est absorbée ou émise dans son ensemble, établissant ainsi la théorie de la dualité onde-particule de la lumière.
Niveau d'énergie atomique
Dans les cristaux semi-conducteurs, les orbites des électrons à l’extérieur des noyaux atomiques se chevauchent à des degrés divers en raison du mouvement partagé des atomes adjacents. Comme le montre la figure 3-1, les niveaux d'énergie dans le cristal n'appartiennent plus à un seul atome ; ils peuvent se déplacer sur une zone plus large, même dans tout le cristal. En d’autres termes, les niveaux d’énergie d’origine ont été transformés en bandes d’énergie. La bande d’énergie formée par les niveaux d’énergie les plus externes est appelée bande de conduction et les bandes d’énergie internes sont appelées bande de valence. Aucun électron n’existe dans les intervalles qui les séparent ; cet intervalle est appelé bande interdite.
Figure 3-1 Niveaux d'énergie dans un cristal
Trois modes d'interaction entre la lumière et la matière
L'interaction entre la lumière et la matière peut être réduite à l'interaction entre la lumière et les atomes, comprenant trois processus physiques : l'absorption stimulée, l'émission spontanée et l'émission stimulée. Les niveaux d'énergie et les transitions électroniques de ces trois modes d'interaction sont illustrés à la figure 3-2.
Figure 3-2 Niveaux d'énergie et transitions électroniques dans trois modes d'interaction entre la lumière et la matière.
1) Dans des conditions normales, les électrons sont généralement dans un faible niveau d'énergie Ea. Sous l'influence de la lumière incidente, les électrons absorbent l'énergie du photon et passent à un niveau d'énergie élevé E.2, générant un photocourant. Cette transition est appelée absorption stimulée. C'est le principe de fonctionnement d'un photodétecteur.
2) Électrons au niveau d'énergie élevé E2sont instables. Même sans force extérieure, ils passeront spontanément au faible niveau d’énergie E.a, se recombinent avec les trous et libèrent de l'énergie convertie en photons qui sont rayonnés vers l'extérieur. Cette transition est appelée émission spontanée. C'est le principe de fonctionnement d'une-diode électroluminescente (LED). La lumière émise spontanément est une lumière incohérente.
3) Lorsqu'un électron dans le niveau d'énergie élevé Eaest excité par un photon externe d'énergie hf, il est obligé de passer au niveau d'énergie faible Ea, se recombine avec des trous et libère simultanément un photon avec la même fréquence, phase et direction que la lumière d'excitation (appelé photon identique).
Puisque ce processus est généré sous l’excitation d’un photon externe, cette transition est appelée émission stimulée. C'est le principe de fonctionnement d'un laser. La lumière d’émission stimulée est une lumière cohérente.
Inversion de population et amplification de la lumière
L'émission stimulée est la clé de la génération laser. Soit la densité de particules au niveau d'énergie inférieur soit N et la densité de particules au niveau d'énergie supérieur soit N². Dans des conditions normales, N > N², ce qui signifie que l'absorption stimulée dépasse toujours l'émission stimulée ; c'est-à-dire qu'en équilibre thermique, la matière ne peut pas amplifier la lumière.
Pour que la matière amplifie la lumière, l'émission stimulée doit dépasser l'absorption stimulée, même si N² > N (le nombre d'électrons aux niveaux d'énergie plus élevés est supérieur au nombre aux niveaux d'énergie plus faibles). Cette distribution anormale du nombre de particules est appelée inversion de population.
L'inversion de population est la condition principale pour qu'une substance produise une amplification de la lumière et émette de la lumière.
Semi-conducteurs à bande interdite directe et à bande interdite indirecte
Lors d’une émission de lumière stimulée, l’énergie et l’élan doivent être conservés. La forme de la bande interdite est liée à l'impulsion ; en fonction de la forme de la bande interdite, les semi-conducteurs peuvent être divisés en types de bande interdite directe et de bande interdite indirecte, comme le montre la figure 3-3. Dans les semi-conducteurs à bande interdite directe, le niveau d'énergie minimum de la bande de conduction et le niveau d'énergie maximum de la bande de valence ont la même impulsion, et les électrons effectuent une transition verticale, ce qui entraîne une efficacité lumineuse élevée, comme le montre la figure 3-3a. Dans les semi-conducteurs à bande interdite indirecte, d'autres particules doivent participer au maintien de la conservation de l'impulsion pour les transitions électroniques, comme le montre la figure 3-3b. Seuls les matériaux semi-conducteurs à bande interdite directe peuvent être utilisés pour fabriquer des dispositifs électroluminescents ; ces matériaux comprennent GaAs, AlGaAs, InP et InGaAsP.
Figure 3-3 Semi-conducteurs à bande interdite directe et à bande interdite indirecte
Principe du laser
Un laser à semi-conducteur est un laser qui utilise des matériaux semi-conducteurs comme milieu actif ; on l'appelle également auto--oscillateur laser à semi-conducteur.
Pour qu'un laser émette de la lumière laser, les trois conditions suivantes doivent être remplies : il doit y avoir une substance active (également appelée substance activatrice) capable de générer de la lumière laser ; il doit y avoir une source d'excitation (également appelée source de pompe) capable de mettre la substance active dans un état d'inversion de population ; et il doit y avoir un résonateur optique capable d'effectuer une sélection de fréquence et un retour d'information.
(1) La substance active capable de générer de la lumière laser est la substance capable d’obtenir une distribution d’inversion de population. Une fois activée, la substance active est appelée substance activatrice ou substance de gain, et c'est une condition nécessaire à la génération du laser.
(2) La source de pompe est une source d'excitation externe qui amène la substance active à atteindre une distribution d'inversion de population. Sous l'action de la source de pompe, Ni> Ni, ce qui entraîne une émission stimulée supérieure à l'absorption stimulée, amplifiant ainsi la lumière.
(3) Le résonateur optique : La substance activatrice ne peut qu’amplifier la lumière. Ce n'est qu'en plaçant la substance activatrice dans un résonateur optique pour fournir le retour nécessaire et sélectionner la fréquence et la direction de la lumière qu'une amplification continue de la lumière et une sortie d'oscillation laser peuvent être obtenues. La substance activatrice et le résonateur optique sont des conditions nécessaires pour générer une oscillation laser.
1) Structure d'une cavité résonante optique. La structure d'une cavité résonante optique est représentée sur la figure 3-4. En plaçant deux miroirs parallèles, M1 et M2, avec des coefficients de réflexion r1 et r2 respectivement, à des positions appropriées aux deux extrémités du matériau d'activation, la cavité résonante optique la plus simple est formée, également appelée cavité Fabry-Perot ou cavité FP.
Si les miroirs sont des miroirs plans, on parle de cavité plane ; si les miroirs sont des miroirs sphériques, on parle de cavité sphérique. Des deux miroirs, l’un doit pouvoir réfléchir complètement la lumière et l’autre doit pouvoir la réfléchir partiellement.
Figure 3-4 Structure d'une cavité résonante optique
2) Le processus d’oscillation de génération laser dans une cavité résonante. Un diagramme schématique d'un laser est présenté à la figure 3-5. Lorsque le milieu de travail réalise une inversion de population sous l'action de la source de pompe, une émission spontanée est générée. Si la direction de l'émission spontanée n'est pas parallèle à l'axe de la cavité résonante optique, elle est réfléchie hors de la cavité résonante. Seule une émission spontanée parallèle à l'axe de la cavité résonante peut exister et se poursuivre vers l'avant. Lorsqu'elle rencontre une particule à un niveau d'énergie plus élevé, elle induit une transition stimulée, émettant un photon identique lors de la transition du niveau d'énergie supérieur au niveau d'énergie inférieur : c'est l'émission stimulée. Lorsque la lumière d'émission stimulée se reflète une fois dans la cavité résonante et que le changement de phase est exactement un multiple entier de 2π, plusieurs lumières d'émission stimulées se propageant dans la même direction se renforcent mutuellement, produisant une résonance. Après avoir atteint une certaine intensité, elle est transmise à travers le miroir partiel M2, formant un faisceau laser droit. Lorsque l'équilibre est atteint, l'énergie amplifiée par la lumière d'émission stimulée lors de chaque aller-retour dans la cavité résonante annule exactement l'énergie consommée, auquel cas le laser maintient une sortie stable.
Figure 3-5 Diagramme schématique du laser
3) Condition de résonance et fréquence de résonance d'une cavité résonante optique. Soit la longueur de la cavité résonante L, alors la condition de résonance de la cavité résonante est :
Dans la formule, c est la vitesse de la lumière dans le vide ; λ est la longueur d'onde du laser ; n est l'indice de réfraction du matériau activateur ; L est la longueur de la cavité optique résonante ; et est le numéro de mode longitudinal,=1, 2, 3.
La cavité résonante fournit une rétroaction positive uniquement à la longueur d'onde de l'onde lumineuse satisfaisant l'équation (3-1) ou à la fréquence de l'onde lumineuse satisfaisant l'équation (3-2), les amenant à se renforcer mutuellement dans la cavité et à résonner pour former une lumière laser.
Étant donné que la lumière d'émission stimulée ne forme que des ondes stationnaires le long de l'axe de la cavité (direction longitudinale), celles-ci sont appelées modes longitudinaux (différents modes correspondent à différentes distributions de champ).
4) Condition seuil d'oscillation. La limite de gain minimale à laquelle un laser peut produire une oscillation laser est appelée condition de seuil du laser (la cavité F-P présente des pertes, et la réflexion et la réfraction de la lumière des miroirs consomment également en permanence des photons). Si Gu représente le coefficient de gain seuil, alors la condition seuil pour l’oscillation est :
Dans la formule, est le coefficient de perte du matériau actif dans la cavité résonante optique ; L est la longueur de la cavité optique résonante ; et et sont les coefficients de réflexion des deux miroirs de la cavité résonante optique.
