Puolijohdelaserin toimintaperiaate

Toimintaperiaatepuolijohdelaser

Ensinnäkin esitellään puolijohdelasereiden parametrivaatimukset, jotka sisältävät pääasiassa seuraavat näkökohdat:
1. Valosähköinen suorituskyky: mukaan lukien ekstinktiosuhde, dynaaminen viivanleveys ja muut parametrit, nämä parametrit vaikuttavat suoraan puolijohdelasereiden suorituskykyyn tietoliikennejärjestelmissä.
2. Rakenteelliset parametrit: kuten valon koko ja järjestely, poistopään määritelmä, asennuskoko ja ääriviivojen koko.
3. Aallonpituus: Puolijohdelaserin aallonpituusalue on 650–1650 nm ja tarkkuus on korkea.
4. Kynnysvirta (Ith) ja käyttövirta (lop): Nämä parametrit määrittävät puolijohdelaserin käynnistysolosuhteet ja toimintatilan.
5. Teho ja jännite: Mittaamalla puolijohdelaserin teho, jännite ja virta työssä voidaan piirtää PV-, PI- ja IV-käyrät niiden toimintaominaisuuksien ymmärtämiseksi.

Toimintaperiaate
1. Vahvistusehdot: Laserväliaineessa (aktiivisella alueella) varauksenkuljettajien inversiojakauma määritetään. Puolijohteessa elektronien energiaa edustaa sarja lähes jatkuvia energiatasoja. Siksi korkeaenergisen tilan johtavuusvyöhykkeen pohjalla olevien elektronien lukumäärän on oltava paljon suurempi kuin valenssivyöhykkeen yläosassa olevien aukkojen lukumäärä matalaenergisessä tilassa kahden energiavyöhykkeen alueen välillä, jotta hiukkasten lukumäärän inversio saavutetaan. Tämä saavutetaan kohdistamalla positiivinen esijännite homo- tai heteroliitokseen ja injektoimalla tarvittavat varauksenkuljettajat aktiiviseen kerrokseen elektronien virittämiseksi matalaenergisestä valenssivyöhykkeestä korkeaenergiseen johtavuusvyöhykkeeseen. Kun suuri määrä käänteisessä hiukkaspopulaatiotilassa olevia elektroneja yhdistyy uudelleen aukkoihin, tapahtuu stimuloitu emissio.
2. Jotta koherenttia stimuloitua säteilyä voitaisiin todella saada aikaan, stimuloitu säteily on syötettävä takaisin useita kertoja optiseen resonaattoriin laservärähtelyn muodostamiseksi. Laserin resonaattori muodostuu puolijohdekiteen luonnollisesta halkeamispinnasta peilin tavoin, ja se on yleensä päällystetty valon päästä korkean heijastuksen omaavalla monikerroksisella dielektrisellä kalvolla, ja sileä pinta on päällystetty vähennettyä heijastusta omaavalla kalvolla. Fp-onteloa (Fabry-Perot-ontelo) käyttävässä puolijohdelaserissa FP-ontelo voidaan helposti rakentaa käyttämällä kiteen pn-liitostasoon nähden kohtisuorassa olevaa luonnollista halkeamistasoa.
(3) Vakaan värähtelyn muodostamiseksi laserväliaineen on kyettävä tuottamaan riittävän suuri vahvistus kompensoimaan resonaattorin aiheuttama optinen häviö ja ontelon pinnalta tulevan lasersäteen aiheuttama häviö sekä jatkuvasti lisäämään ontelon valokenttää. Tämän on oltava riittävän voimakas virransyöttö, eli hiukkasten lukumäärän inversio on riittävä. Mitä suurempi hiukkasten lukumäärän inversion aste, sitä suurempi vahvistus, eli vaatimuksen on täytettävä tietty virtakynnysehto. Kun laser saavuttaa kynnyksen, tietyn aallonpituuden omaava valo voi resonoitua ontelossa ja vahvistua, jolloin lopulta muodostuu laser ja jatkuva lähtö.

Suorituskykyvaatimus
1. Modulaatiokaistanleveys ja -nopeus: puolijohdelaserit ja niiden modulaatiotekniikka ovat ratkaisevan tärkeitä langattomassa optisessa tiedonsiirrossa, ja modulaatiokaistanleveys ja -nopeus vaikuttavat suoraan tiedonsiirron laatuun. Sisäisesti moduloitu laser (suoraan moduloitu laser) sopii optisen kuitutiedonsiirron eri aloille nopean tiedonsiirtonsa ja alhaisten kustannustensa ansiosta.
2. Spektriominaisuudet ja modulaatio-ominaisuudet: Puolijohdepohjaiset hajautetut takaisinkytkentälaserit (DFB-laser) ovat tulleet tärkeäksi valonlähteeksi optisessa kuituviestinnässä ja avaruusoptisessa viestinnässä erinomaisten spektriominaisuuksiensa ja modulointiominaisuuksiensa ansiosta.
3. Kustannukset ja massatuotanto: Puolijohdelasereilla on oltava edullisten kustannusten ja massatuotannon edut, jotta ne voivat vastata laajamittaisen tuotannon ja sovellusten tarpeisiin.
4. Virrankulutus ja luotettavuus: Sovellustilanteissa, kuten datakeskuksissa, puolijohdelaserit vaativat alhaista virrankulutusta ja korkeaa luotettavuutta pitkän aikavälin vakaan toiminnan varmistamiseksi.