Nguyên lý hoạt động của laser bán dẫn

Nguyên lý hoạt động củalaser bán dẫn

Trước hết, các yêu cầu về thông số đối với laser bán dẫn được giới thiệu, chủ yếu bao gồm các khía cạnh sau:
1. Hiệu suất quang điện: bao gồm tỷ lệ tiêu quang, độ rộng vạch quang động và các thông số khác, các thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của laser bán dẫn trong hệ thống thông tin liên lạc.
2. Các thông số cấu trúc: chẳng hạn như kích thước và cách bố trí đèn, định nghĩa đầu hút, kích thước lắp đặt và kích thước phác thảo.
3. Bước sóng: Dải bước sóng của laser bán dẫn là 650~1650nm và độ chính xác cao.
4. Dòng điện ngưỡng (Ith) và dòng điện hoạt động (lop): Các thông số này xác định điều kiện khởi động và trạng thái hoạt động của laser bán dẫn.
5. Công suất và điện áp: Bằng cách đo công suất, điện áp và dòng điện của laser bán dẫn khi hoạt động, có thể vẽ các đường cong PV, PI và IV để hiểu các đặc điểm hoạt động của chúng.

Nguyên lý hoạt động
1. Điều kiện khuếch đại: Phân bố đảo ngược của các hạt mang điện trong môi trường laser (vùng hoạt động) được thiết lập. Trong chất bán dẫn, năng lượng của các electron được biểu diễn bằng một chuỗi các mức năng lượng gần như liên tục. Do đó, số electron ở đáy vùng dẫn ở trạng thái năng lượng cao phải lớn hơn nhiều so với số lỗ trống ở đỉnh vùng hóa trị ở trạng thái năng lượng thấp giữa hai vùng năng lượng để đạt được sự đảo ngược số hạt. Điều này đạt được bằng cách áp dụng một điện thế dương lên tiếp giáp đồng loại hoặc tiếp giáp dị loại và đưa các hạt mang điện cần thiết vào lớp hoạt động để kích thích các electron từ vùng hóa trị năng lượng thấp lên vùng dẫn năng lượng cao hơn. Khi một số lượng lớn electron ở trạng thái mật độ hạt đảo ngược tái hợp với các lỗ trống, hiện tượng phát xạ kích thích xảy ra.
2. Để thực sự thu được bức xạ kích thích đồng bộ, bức xạ kích thích phải được phản hồi nhiều lần trong bộ cộng hưởng quang học để tạo ra dao động laser. Bộ cộng hưởng của laser được tạo thành từ bề mặt phân cắt tự nhiên của tinh thể bán dẫn như một tấm gương, thường được mạ ở đầu phát sáng một lớp điện môi đa lớp có độ phản xạ cao, và bề mặt nhẵn được mạ một lớp phản xạ giảm. Đối với laser bán dẫn khoang Fp (khoang Fabry-Perot), khoang FP có thể được chế tạo dễ dàng bằng cách sử dụng mặt phẳng phân cắt tự nhiên vuông góc với mặt phẳng tiếp giáp pn của tinh thể.
(3) Để tạo ra dao động ổn định, môi trường laser phải có khả năng cung cấp độ khuếch đại đủ lớn để bù cho tổn thất quang học do bộ cộng hưởng gây ra và tổn thất do đầu ra laser từ bề mặt khoang, đồng thời liên tục tăng trường ánh sáng trong khoang. Điều này phải có dòng điện đưa vào đủ mạnh, tức là có đủ sự đảo ngược số lượng hạt. Mức độ đảo ngược số lượng hạt càng cao thì độ khuếch đại càng lớn, tức là yêu cầu phải đáp ứng một ngưỡng dòng điện nhất định. Khi laser đạt đến ngưỡng, ánh sáng có bước sóng cụ thể có thể được cộng hưởng trong khoang và được khuếch đại, cuối cùng tạo thành laser và đầu ra liên tục.

Yêu cầu về hiệu suất
1. Băng thông và tốc độ điều chế: laser bán dẫn và công nghệ điều chế của chúng đóng vai trò quan trọng trong truyền thông quang không dây, băng thông và tốc độ điều chế ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng truyền thông. Laser điều chế bên trong (laser điều chế trực tiếp) phù hợp với nhiều lĩnh vực khác nhau trong truyền thông cáp quang vì tốc độ truyền dẫn cao và chi phí thấp.
2. Đặc điểm quang phổ và đặc điểm điều chế: Laser phản hồi phân tán bán dẫn(Tia laser DFB) đã trở thành nguồn sáng quan trọng trong truyền thông sợi quang và truyền thông quang học không gian do đặc tính quang phổ và đặc tính điều chế tuyệt vời của chúng.
3. Chi phí và sản xuất hàng loạt: Laser bán dẫn cần có ưu điểm là chi phí thấp và sản xuất hàng loạt để đáp ứng nhu cầu sản xuất và ứng dụng quy mô lớn.
4. Mức tiêu thụ điện năng và độ tin cậy: Trong các ứng dụng như trung tâm dữ liệu, laser bán dẫn yêu cầu mức tiêu thụ điện năng thấp và độ tin cậy cao để đảm bảo hoạt động ổn định lâu dài.