Principio di funzionamento del laser a semiconduttore

Principio di funzionamento dilaser a semiconduttore

Innanzitutto vengono introdotti i requisiti dei parametri per i laser a semiconduttore, che includono principalmente i seguenti aspetti:
1. Prestazioni fotoelettriche: tra cui il rapporto di estinzione, la larghezza di linea dinamica e altri parametri, questi parametri influiscono direttamente sulle prestazioni dei laser a semiconduttore nei sistemi di comunicazione.
2. Parametri strutturali: quali dimensione e disposizione luminosa, definizione dell'estremità di estrazione, dimensioni di installazione e dimensioni del contorno.
3. Lunghezza d'onda: la gamma di lunghezze d'onda del laser a semiconduttore è 650~1650 nm e la precisione è elevata.
4. Corrente di soglia (Ith) e corrente operativa (lop): questi parametri determinano le condizioni di avvio e lo stato di funzionamento del laser a semiconduttore.
5. Potenza e tensione: misurando la potenza, la tensione e la corrente del laser a semiconduttore in funzione, è possibile tracciare le curve PV, PI e IV per comprenderne le caratteristiche di funzionamento.

Principio di funzionamento
1. Condizioni di guadagno: viene stabilita la distribuzione di inversione dei portatori di carica nel mezzo laser (regione attiva). Nel semiconduttore, l'energia degli elettroni è rappresentata da una serie di livelli energetici pressoché continui. Pertanto, il numero di elettroni nella parte inferiore della banda di conduzione nello stato di alta energia deve essere molto maggiore del numero di lacune nella parte superiore della banda di valenza nello stato di bassa energia tra le due regioni di banda energetica per ottenere l'inversione del numero di particelle. Ciò si ottiene applicando una polarizzazione positiva all'omogiunzione o all'eterogiunzione e iniettando i portatori necessari nello strato attivo per eccitare gli elettroni dalla banda di valenza a energia inferiore alla banda di conduzione a energia superiore. Quando un gran numero di elettroni nello stato di popolazione di particelle invertito si ricombina con le lacune, si verifica un'emissione stimolata.
2. Per ottenere effettivamente una radiazione stimolata coerente, la radiazione stimolata deve essere reimmessa più volte nel risonatore ottico per formare l'oscillazione laser. Il risonatore del laser è costituito dalla superficie di clivaggio naturale del cristallo semiconduttore a forma di specchio, solitamente rivestita all'estremità della luce con un film dielettrico multistrato ad alta riflessione, e la superficie liscia è rivestita con un film a riflessione ridotta. Per il laser a semiconduttore con cavità Fp (cavità Fabry-Perot), la cavità FP può essere facilmente costruita utilizzando il piano di clivaggio naturale perpendicolare al piano di giunzione pn del cristallo.
(3) Per formare un'oscillazione stabile, il mezzo laser deve essere in grado di fornire un guadagno sufficientemente elevato da compensare la perdita ottica causata dal risonatore e la perdita causata dall'uscita laser dalla superficie della cavità, e aumentare costantemente il campo luminoso nella cavità. Questo deve avere un'iniezione di corrente sufficientemente forte, ovvero deve esserci una sufficiente inversione del numero di particelle; maggiore è il grado di inversione del numero di particelle, maggiore è il guadagno, ovvero il requisito deve soddisfare una determinata condizione di soglia di corrente. Quando il laser raggiunge la soglia, la luce con una lunghezza d'onda specifica può essere fatta risuonare nella cavità e amplificata, formando infine un'uscita laser continua.

Requisito di prestazione
1. Larghezza di banda e velocità di modulazione: i laser a semiconduttore e la loro tecnologia di modulazione sono cruciali nelle comunicazioni ottiche wireless, e la larghezza di banda e la velocità di modulazione influenzano direttamente la qualità della comunicazione. Laser a modulazione interna (laser modulato direttamente) è adatta a diversi campi della comunicazione in fibra ottica grazie alla sua elevata velocità di trasmissione e al basso costo.
2. Caratteristiche spettrali e caratteristiche di modulazione: Laser a feedback distribuito a semiconduttore (Laser DFB) sono diventate un'importante fonte di luce nelle comunicazioni in fibra ottica e nelle comunicazioni ottiche spaziali grazie alle loro eccellenti caratteristiche spettrali e di modulazione.
3. Costo e produzione di massa: i laser a semiconduttore devono presentare i vantaggi del basso costo e della produzione di massa per soddisfare le esigenze di produzione e applicazioni su larga scala.
4. Consumo energetico e affidabilità: in scenari applicativi quali i data center, i laser a semiconduttore richiedono un basso consumo energetico e un'elevata affidabilità per garantire un funzionamento stabile a lungo termine.