اصل کار لیزر نیمه هادی

اصل کارلیزر نیمه هادی

اول از همه، الزامات پارامتر برای لیزرهای نیمه‌هادی معرفی می‌شوند، که عمدتاً شامل جنبه‌های زیر است:
۱. عملکرد فوتوالکتریک: شامل نسبت خاموشی، پهنای خط دینامیکی و سایر پارامترها، این پارامترها مستقیماً بر عملکرد لیزرهای نیمه‌هادی در سیستم‌های ارتباطی تأثیر می‌گذارند.
۲. پارامترهای ساختاری: مانند اندازه و چیدمان نور، تعریف انتهای استخراج، اندازه نصب و اندازه کلی.
۳. طول موج: محدوده طول موج لیزر نیمه‌هادی ۶۵۰ تا ۱۶۵۰ نانومتر است و دقت بالایی دارد.
۴. جریان آستانه (Ith) و جریان عملیاتی (lop): این پارامترها شرایط راه‌اندازی و وضعیت کاری لیزر نیمه‌هادی را تعیین می‌کنند.
۵. توان و ولتاژ: با اندازه‌گیری توان، ولتاژ و جریان لیزر نیمه‌هادی در حال کار، می‌توان منحنی‌های PV، PI و IV را برای درک ویژگی‌های کاری آنها رسم کرد.

اصل کار
۱. شرایط بهره: توزیع وارونگی حامل‌های بار در محیط لیزری (ناحیه فعال) برقرار است. در نیمه‌رسانا، انرژی الکترون‌ها توسط مجموعه‌ای از سطوح انرژی تقریباً پیوسته نشان داده می‌شود. بنابراین، تعداد الکترون‌ها در پایین نوار رسانش در حالت انرژی بالا باید بسیار بیشتر از تعداد حفره‌ها در بالای نوار ظرفیت در حالت انرژی پایین بین دو ناحیه نوار انرژی باشد تا وارونگی تعداد ذرات حاصل شود. این امر با اعمال یک بایاس مثبت به هموجانکشن یا هتروجانکشن و تزریق حامل‌های لازم به لایه فعال برای تحریک الکترون‌ها از نوار ظرفیت با انرژی پایین‌تر به نوار رسانش با انرژی بالاتر حاصل می‌شود. هنگامی که تعداد زیادی از الکترون‌ها در حالت معکوس جمعیت ذرات با حفره‌ها بازترکیب می‌شوند، گسیل القایی رخ می‌دهد.
۲. برای اینکه تابش تحریک‌شده همدوس واقعاً حاصل شود، تابش تحریک‌شده باید چندین بار در تشدیدگر نوری بازخورد داده شود تا نوسان لیزر تشکیل شود. تشدیدگر لیزر توسط سطح شکاف طبیعی کریستال نیمه‌رسانا به عنوان یک آینه تشکیل می‌شود که معمولاً در انتهای نور با یک فیلم دی‌الکتریک چندلایه با بازتاب بالا آبکاری می‌شود و سطح صاف با یک فیلم بازتاب کاهش‌یافته آبکاری می‌شود. برای لیزر نیمه‌رسانای حفره Fp (حفره Fabry-Perot)، حفره FP را می‌توان به راحتی با استفاده از صفحه شکاف طبیعی عمود بر صفحه اتصال pn کریستال ساخت.
(3) برای تشکیل یک نوسان پایدار، محیط لیزر باید بتواند بهره کافی برای جبران تلفات نوری ناشی از تشدیدگر و تلفات ناشی از خروجی لیزر از سطح حفره را فراهم کند و دائماً میدان نور را در حفره افزایش دهد. این باید تزریق جریان به اندازه کافی قوی داشته باشد، یعنی وارونگی تعداد ذرات کافی باشد، هرچه درجه وارونگی تعداد ذرات بالاتر باشد، بهره بیشتر است، یعنی این الزام باید یک شرط آستانه جریان خاص را برآورده کند. هنگامی که لیزر به آستانه می‌رسد، نور با طول موج خاصی می‌تواند در حفره تشدید و تقویت شود و در نهایت یک خروجی لیزر و پیوسته تشکیل دهد.

الزامات عملکرد
۱. پهنای باند و نرخ مدولاسیون: لیزرهای نیمه‌هادی و فناوری مدولاسیون آنها در ارتباطات نوری بی‌سیم بسیار مهم هستند و پهنای باند و نرخ مدولاسیون مستقیماً بر کیفیت ارتباط تأثیر می‌گذارند. لیزر مدوله شده داخلی (لیزر مدوله شده مستقیم) به دلیل سرعت انتقال بالا و هزینه کم، برای زمینه‌های مختلف در ارتباطات فیبر نوری مناسب است.
۲. ویژگی‌های طیفی و ویژگی‌های مدولاسیون: لیزرهای بازخورد توزیع‌شده نیمه‌هادی (لیزر DFB) به دلیل ویژگی‌های طیفی عالی و ویژگی‌های مدولاسیون، به منبع نور مهمی در ارتباطات فیبر نوری و ارتباطات نوری فضایی تبدیل شده‌اند.
۳. هزینه و تولید انبوه: لیزرهای نیمه‌رسانا برای برآورده کردن نیازهای تولید و کاربردهای در مقیاس بزرگ، باید از مزایای هزینه پایین و تولید انبوه برخوردار باشند.
۴. مصرف برق و قابلیت اطمینان: در سناریوهای کاربردی مانند مراکز داده، لیزرهای نیمه‌هادی برای اطمینان از عملکرد پایدار در درازمدت، به مصرف برق کم و قابلیت اطمینان بالا نیاز دارند.