Funktionsprinzip des Halbleiterlasers

Funktionsprinzip vonHalbleiterlaser

Zunächst werden die Parameteranforderungen für Halbleiterlaser vorgestellt, die im Wesentlichen folgende Aspekte umfassen:
1. Photoelektrische Leistung: Dazu gehören das Extinktionsverhältnis, die dynamische Linienbreite und andere Parameter, die die Leistung von Halbleiterlasern in Kommunikationssystemen direkt beeinflussen.
2. Strukturelle Parameter: wie z. B. Leuchtgröße und -anordnung, Definition des Auslassendes, Installationsgröße und Umrissgröße.
3. Wellenlänge: Der Wellenlängenbereich des Halbleiterlasers liegt bei 650 bis 1650 nm, und die Genauigkeit ist hoch.
4. Schwellenstrom (Ith) und Betriebsstrom (lop): Diese Parameter bestimmen die Startbedingungen und den Betriebszustand des Halbleiterlasers.
5. Leistung und Spannung: Durch Messung der Leistung, Spannung und des Stroms des Halbleiterlasers im Betrieb können PV-, PI- und IV-Kennlinien erstellt werden, um seine Arbeitseigenschaften zu verstehen.

Funktionsprinzip
1. Verstärkungsbedingungen: Die Inversion der Ladungsträgerverteilung im Lasermedium (aktive Zone) wird erreicht. Im Halbleiter wird die Energie der Elektronen durch eine Reihe nahezu kontinuierlicher Energieniveaus repräsentiert. Um die Inversion der Teilchenzahl zu erzielen, muss die Anzahl der Elektronen am unteren Rand des Leitungsbandes im hochenergetischen Zustand deutlich größer sein als die Anzahl der Löcher am oberen Rand des Valenzbandes im niederenergetischen Zustand zwischen den beiden Energiebandbereichen. Dies wird durch Anlegen einer positiven Vorspannung an den Homojunction- oder Heterojunction-Übergang und Injektion der erforderlichen Ladungsträger in die aktive Schicht erreicht, um Elektronen vom niederenergetischen Valenzband in das höherenergetische Leitungsband anzuregen. Wenn eine große Anzahl von Elektronen im umgekehrten Teilchenpopulationszustand mit Löchern rekombiniert, tritt stimulierte Emission auf.
2. Um tatsächlich kohärente stimulierte Strahlung zu erhalten, muss diese mehrfach in den optischen Resonator zurückgeführt werden, um eine Laserschwingung zu erzeugen. Der Resonator des Lasers besteht aus der natürlichen Spaltfläche des Halbleiterkristalls, die als Spiegel dient. Üblicherweise ist das Ende des Resonators mit einer hochreflektierenden, mehrlagigen dielektrischen Schicht beschichtet, während die glatte Oberfläche mit einer Schicht geringerer Reflexion versehen ist. Bei einem Fabry-Perot-Resonator (FP-Resonator) lässt sich dieser einfach realisieren, indem die natürliche Spaltebene senkrecht zur pn-Übergangsebene des Kristalls genutzt wird.
(3) Um eine stabile Schwingung zu erzeugen, muss das Lasermedium eine ausreichend hohe Verstärkung liefern, um die optischen Verluste im Resonator und an der Resonatoroberfläche zu kompensieren und das Lichtfeld im Resonator kontinuierlich zu verstärken. Dies erfordert eine ausreichend hohe Strominjektion, d. h. eine ausreichende Teilchenzahlinversion. Je höher der Grad der Teilchenzahlinversion, desto größer die Verstärkung. Die Anforderung muss also eine bestimmte Stromschwelle erfüllen. Sobald der Laser diese Schwelle erreicht, kann Licht einer bestimmten Wellenlänge im Resonator resonieren und verstärkt werden, wodurch schließlich ein Laserstrahl mit kontinuierlichem Ausgang entsteht.

Leistungsanforderung
1. Modulationsbandbreite und -rate: Halbleiterlaser und ihre Modulationstechnologie sind entscheidend für die drahtlose optische Kommunikation, und die Modulationsbandbreite und -rate beeinflussen die Kommunikationsqualität direkt. Intern modulierter Laser (direkt modulierter Laser) eignet sich aufgrund seiner hohen Übertragungsgeschwindigkeit und der geringen Kosten für verschiedene Anwendungsbereiche der optischen Faserkommunikation.
2. Spektrale Eigenschaften und Modulationscharakteristika: Halbleiter-DFB-Laser (DFB-LaserAufgrund ihrer hervorragenden spektralen Eigenschaften und Modulationseigenschaften haben sie sich zu einer wichtigen Lichtquelle in der optischen Faserkommunikation und der optischen Weltraumkommunikation entwickelt.
3. Kosten und Massenproduktion: Halbleiterlaser müssen die Vorteile niedriger Kosten und Massenproduktion bieten, um den Anforderungen der Massenproduktion und -anwendungen gerecht zu werden.
4. Stromverbrauch und Zuverlässigkeit: In Anwendungsszenarien wie Rechenzentren müssen Halbleiterlaser einen geringen Stromverbrauch und eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen, um einen langfristig stabilen Betrieb zu gewährleisten.