Načelo delovanja polprevodniškega laserja

Načelo delovanjapolprevodniški laser

Najprej so predstavljene zahteve glede parametrov za polprevodniške laserje, vključno z naslednjimi vidiki:
1. Fotoelektrična zmogljivost: vključno z razmerjem ekstinkcije, dinamično širino črte in drugimi parametri, ti parametri neposredno vplivajo na delovanje polprevodniških laserjev v komunikacijskih sistemih.
2. Strukturni parametri: kot so velikost in razporeditev svetlobe, definicija konca odsesavanja, velikost namestitve in velikost obrisa.
3. Valovna dolžina: Območje valovnih dolžin polprevodniškega laserja je 650~1650nm, natančnost pa je visoka.
4. Prag tok (Ith) in obratovalni tok (lop): Ta parametra določata zagonske pogoje in delovno stanje polprevodniškega laserja.
5. Moč in napetost: Z merjenjem moči, napetosti in toka polprevodniškega laserja med delovanjem lahko narišemo krivulje PV, PI in IV, da razumemo njihove delovne značilnosti.

Načelo delovanja
1. Pogoji ojačanja: Vzpostavljena je inverzna porazdelitev nosilcev naboja v laserskem mediju (aktivnem območju). V polprevodniku je energija elektronov predstavljena z vrsto skoraj neprekinjenih energijskih nivojev. Zato mora biti število elektronov na dnu prevodnega pasu v visokoenergijskem stanju veliko večje od števila vrzeli na vrhu valentnega pasu v nizkoenergijskem stanju med obema energijskima pasovoma, da se doseže inverzija števila delcev. To se doseže z uporabo pozitivne prednapetosti na homo- ali hetero-spojnici in vbrizgavanjem potrebnih nosilcev v aktivno plast, da se vzbujajo elektroni iz valentnega pasu z nižjo energijo v prevodni pas z višjo energijo. Ko se veliko število elektronov v obrnjenem stanju populacije delcev rekombinira z vrzeli, pride do stimulirane emisije.
2. Da bi dejansko dobili koherentno stimulirano sevanje, je treba stimulirano sevanje večkrat vrniti v optični resonator, da se tvori lasersko nihanje. Resonator laserja je oblikovan z naravno cepitveno površino polprevodniškega kristala kot zrcalo, običajno prevlečeno na koncu svetlobe z večplastno dielektrično folijo z visokim odbojem, gladka površina pa je prevlečena z zmanjšanim odbojem. Pri polprevodniškem laserju z votlino Fp (Fabry-Perotova votlina) je mogoče votlino FP enostavno konstruirati z uporabo naravne cepitvene ravnine, pravokotne na ravnino pn spoja kristala.
(3) Za oblikovanje stabilnega nihanja mora laserski medij zagotoviti dovolj veliko ojačanje, da kompenzira optične izgube, ki jih povzroča resonator, in izgube, ki jih povzroča laserski izhod s površine votline, ter nenehno povečuje svetlobno polje v votlini. To mora imeti dovolj močan vnos toka, torej zadostno inverzijo števila delcev. Višja kot je stopnja inverzije števila delcev, večji je ojačanje, torej mora izpolnjevati določen pogoj praga toka. Ko laser doseže prag, se lahko svetloba z določeno valovno dolžino odbije v votlini in ojača, kar končno tvori laserski in neprekinjen izhod.

Zahteva glede zmogljivosti
1. Pasovna širina in hitrost modulacije: polprevodniški laserji in njihova modulacijska tehnologija so ključni za brezžično optično komunikacijo, pasovna širina in hitrost modulacije pa neposredno vplivata na kakovost komunikacije. Notranje modulirani laser (neposredno moduliran laser) je zaradi visoke hitrosti prenosa in nizkih stroškov primeren za različna področja optične komunikacije.
2. Spektralne značilnosti in modulacijske značilnosti: Polprevodniški laserji s porazdeljeno povratno zanko (DFB laser) so zaradi svojih odličnih spektralnih in modulacijskih lastnosti postali pomemben vir svetlobe v optični komunikaciji in vesoljski optični komunikaciji.
3. Stroški in množična proizvodnja: Polprevodniški laserji morajo imeti prednosti nizkih stroškov in množične proizvodnje, da zadostijo potrebam obsežne proizvodnje in aplikacij.
4. Poraba energije in zanesljivost: V scenarijih uporabe, kot so podatkovni centri, polprevodniški laserji zahtevajo nizko porabo energije in visoko zanesljivost, da se zagotovi dolgoročno stabilno delovanje.