Αρχή λειτουργίας του ημιαγωγικού λέιζερ

Αρχή λειτουργίας τουλέιζερ ημιαγωγών

Καταρχάς, παρουσιάζονται οι απαιτήσεις παραμέτρων για τα λέιζερ ημιαγωγών, οι οποίες περιλαμβάνουν κυρίως τις ακόλουθες πτυχές:
1. Φωτοηλεκτρική απόδοση: συμπεριλαμβανομένου του λόγου εξαφάνισης, του δυναμικού πλάτους γραμμής και άλλων παραμέτρων, αυτές οι παράμετροι επηρεάζουν άμεσα την απόδοση των λέιζερ ημιαγωγών στα συστήματα επικοινωνίας.
2. Δομικές παράμετροι: όπως το φωτεινό μέγεθος και η διάταξη, ο ορισμός του άκρου εξαγωγής, το μέγεθος εγκατάστασης και το μέγεθος περιγράμματος.
3. Μήκος κύματος: Το εύρος μήκους κύματος του λέιζερ ημιαγωγών είναι 650~1650nm και η ακρίβεια είναι υψηλή.
4. Ρεύμα κατωφλίου (Ith) και ρεύμα λειτουργίας (lop): Αυτές οι παράμετροι καθορίζουν τις συνθήκες εκκίνησης και την κατάσταση λειτουργίας του ημιαγωγικού λέιζερ.
5. Ισχύς και τάση: Μετρώντας την ισχύ, την τάση και το ρεύμα του ημιαγωγικού λέιζερ κατά την εργασία, μπορούν να σχεδιαστούν οι καμπύλες PV, PI και IV για να κατανοηθούν τα χαρακτηριστικά λειτουργίας τους.

Αρχή λειτουργίας
1. Συνθήκες κέρδους: Καθιερώνεται η κατανομή αντιστροφής των φορέων φορτίου στο μέσο εκπομπής λέιζερ (ενεργή περιοχή). Στον ημιαγωγό, η ενέργεια των ηλεκτρονίων αντιπροσωπεύεται από μια σειρά σχεδόν συνεχών ενεργειακών επιπέδων. Επομένως, ο αριθμός των ηλεκτρονίων στο κάτω μέρος της ζώνης αγωγιμότητας στην κατάσταση υψηλής ενέργειας πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερος από τον αριθμό των οπών στην κορυφή της ζώνης σθένους στην κατάσταση χαμηλής ενέργειας μεταξύ των δύο περιοχών της ενεργειακής ζώνης για να επιτευχθεί η αντιστροφή του αριθμού των σωματιδίων. Αυτό επιτυγχάνεται εφαρμόζοντας θετική πόλωση στην ομοεπαφή ή την ετεροεπαφή και εγχύοντας τους απαραίτητους φορείς στο ενεργό στρώμα για να διεγείρουν ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους χαμηλότερης ενέργειας στη ζώνη αγωγιμότητας υψηλότερης ενέργειας. Όταν ένας μεγάλος αριθμός ηλεκτρονίων στην αντίστροφη κατάσταση πληθυσμού σωματιδίων ανασυνδυάζεται με οπές, συμβαίνει διεγερμένη εκπομπή.
2. Για να επιτευχθεί συνεκτική διεγερμένη ακτινοβολία, η διεγερμένη ακτινοβολία πρέπει να ανατροφοδοτηθεί αρκετές φορές στον οπτικό συντονιστή για να σχηματιστεί ταλάντωση λέιζερ. Ο συντονιστής του λέιζερ σχηματίζεται από τη φυσική επιφάνεια διάσπασης του ημιαγωγικού κρυστάλλου ως καθρέφτης, συνήθως επικαλυμμένος στο άκρο του φωτός με μια πολυστρωματική διηλεκτρική μεμβράνη υψηλής ανάκλασης, και η λεία επιφάνεια είναι επικαλυμμένη με μια μεμβράνη μειωμένης ανάκλασης. Για το λέιζερ ημιαγωγού με κοιλότητα Fp (κοιλότητα Fabry-Perot), η κοιλότητα FP μπορεί εύκολα να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας το φυσικό επίπεδο διάσπασης κάθετο στο επίπεδο σύνδεσης pn του κρυστάλλου.
(3) Για να σχηματιστεί μια σταθερή ταλάντωση, το μέσο λέιζερ πρέπει να είναι σε θέση να παρέχει ένα αρκετά μεγάλο κέρδος για να αντισταθμίσει την οπτική απώλεια που προκαλείται από τον συντονιστή και την απώλεια που προκαλείται από την έξοδο λέιζερ από την επιφάνεια της κοιλότητας, και να αυξάνει συνεχώς το φωτεινό πεδίο στην κοιλότητα. Αυτό πρέπει να έχει μια αρκετά ισχυρή έγχυση ρεύματος, δηλαδή, να υπάρχει αρκετή αντιστροφή αριθμού σωματιδίων, όσο υψηλότερος είναι ο βαθμός αντιστροφής αριθμού σωματιδίων, τόσο μεγαλύτερο είναι το κέρδος, δηλαδή, η απαίτηση πρέπει να πληροί μια συγκεκριμένη συνθήκη κατωφλίου ρεύματος. Όταν το λέιζερ φτάσει στο κατώφλι, φως με ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος μπορεί να αντηχήσει στην κοιλότητα και να ενισχυθεί, και τελικά να σχηματίσει ένα λέιζερ και συνεχή έξοδο.

Απαιτήσεις απόδοσης
1. Εύρος ζώνης και ρυθμός διαμόρφωσης: τα λέιζερ ημιαγωγών και η τεχνολογία διαμόρφωσής τους είναι ζωτικής σημασίας στην ασύρματη οπτική επικοινωνία και το εύρος ζώνης και ο ρυθμός διαμόρφωσης επηρεάζουν άμεσα την ποιότητα της επικοινωνίας. Εσωτερικά διαμορφωμένο λέιζερ (άμεσα διαμορφωμένο λέιζερ) είναι κατάλληλο για διαφορετικά πεδία επικοινωνίας οπτικών ινών λόγω της υψηλής ταχύτητας μετάδοσης και του χαμηλού κόστους.
2. Φασματικά χαρακτηριστικά και χαρακτηριστικά διαμόρφωσης: Ημιαγωγικά κατανεμημένα λέιζερ ανάδρασης (Λέιζερ DFB) έχουν γίνει μια σημαντική πηγή φωτός στην επικοινωνία μέσω οπτικών ινών και στην διαστημική οπτική επικοινωνία λόγω των εξαιρετικών φασματικών χαρακτηριστικών και των χαρακτηριστικών διαμόρφωσης που προσφέρουν.
3. Κόστος και μαζική παραγωγή: Τα ημιαγωγικά λέιζερ πρέπει να έχουν τα πλεονεκτήματα του χαμηλού κόστους και της μαζικής παραγωγής για να καλύψουν τις ανάγκες της παραγωγής και των εφαρμογών μεγάλης κλίμακας.
4. Κατανάλωση ενέργειας και αξιοπιστία: Σε σενάρια εφαρμογών όπως τα κέντρα δεδομένων, τα λέιζερ ημιαγωγών απαιτούν χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και υψηλή αξιοπιστία για να εξασφαλίσουν μακροπρόθεσμη σταθερή λειτουργία.