Funktionsprinzip des Halbleiterlasers

Funktionsprinzip vonHalbleiterlaser

Zunächst werden die Parameteranforderungen für Halbleiterlaser vorgestellt, die im Wesentlichen folgende Aspekte umfassen:
1. Photoelektrische Leistung: einschließlich Extinktionsverhältnis, dynamischer Linienbreite und anderer Parameter. Diese Parameter wirken sich direkt auf die Leistung von Halbleiterlasern in Kommunikationssystemen aus.
2. Strukturelle Parameter: wie Leuchtgröße und -anordnung, Definition des Extraktionsendes, Installationsgröße und Umrissgröße.
3. Wellenlänge: Der Wellenlängenbereich des Halbleiterlasers beträgt 650 bis 1650 nm und die Genauigkeit ist hoch.
4. Schwellenstrom (Ith) und Betriebsstrom (lop): Diese Parameter bestimmen die Startbedingungen und den Arbeitszustand des Halbleiterlasers.
5. Leistung und Spannung: Durch Messen von Leistung, Spannung und Stromstärke des Halbleiterlasers im Betrieb können PV-, PI- und IV-Kurven erstellt werden, um deren Arbeitseigenschaften zu verstehen.

Funktionsprinzip
1. Verstärkungsbedingungen: Die Inversion der Ladungsträgerverteilung im Lasermedium (aktiver Bereich) ist etabliert. Im Halbleiter wird die Energie der Elektronen durch eine Reihe nahezu kontinuierlicher Energieniveaus repräsentiert. Daher muss die Anzahl der Elektronen am unteren Ende des Leitungsbandes im Hochenergiezustand deutlich größer sein als die Anzahl der Löcher am oberen Ende des Valenzbandes im Niedrigenergiezustand zwischen den beiden Energiebandbereichen, um die Inversion der Teilchenzahl zu erreichen. Dies wird durch Anlegen einer positiven Vorspannung an die Homo- oder Heteroverbindung und Injektion der notwendigen Ladungsträger in die aktive Schicht erreicht, um Elektronen vom Valenzband mit niedrigerer Energie in das Leitungsband mit höherer Energie anzuregen. Rekombinieren viele Elektronen im umgekehrten Teilchenbesetzungszustand mit Löchern, kommt es zur stimulierten Emission.
2. Um tatsächlich kohärente stimulierte Strahlung zu erhalten, muss diese im optischen Resonator mehrfach rückgeführt werden, um Laserschwingungen zu erzeugen. Der Resonator des Lasers besteht aus der natürlichen Spaltfläche des Halbleiterkristalls als Spiegel. Das Lichtende ist üblicherweise mit einem hochreflektierenden mehrschichtigen dielektrischen Film beschichtet, während die glatte Oberfläche mit einem Film mit reduzierter Reflexion beschichtet ist. Für Halbleiterlaser mit Fp-Hohlraum (Fabry-Perot-Hohlraum) lässt sich der FP-Hohlraum einfach konstruieren, indem die natürliche Spaltfläche senkrecht zur pn-Übergangsfläche des Kristalls genutzt wird.
(3) Um eine stabile Schwingung zu erzeugen, muss das Lasermedium eine ausreichend große Verstärkung bereitstellen, um die optischen Verluste durch den Resonator und die Verluste durch die Laserleistung an der Resonatoroberfläche zu kompensieren und das Lichtfeld im Resonator kontinuierlich zu vergrößern. Dies erfordert eine ausreichend starke Stromeinspeisung, d. h. eine ausreichende Teilchenzahlinversion. Je höher der Grad der Teilchenzahlinversion, desto größer die Verstärkung. Dies bedeutet, dass eine bestimmte Stromschwellenbedingung erfüllt sein muss. Erreicht der Laser diese Schwelle, kann Licht einer bestimmten Wellenlänge im Resonator resonieren und verstärkt werden, wodurch schließlich ein Laser mit kontinuierlicher Leistung entsteht.

Leistungsanforderung
1. Modulationsbandbreite und -rate: Halbleiterlaser und ihre Modulationstechnologie sind entscheidend für die drahtlose optische Kommunikation, und die Modulationsbandbreite und -rate wirken sich direkt auf die Kommunikationsqualität aus. Intern modulierte Laser (direkt modulierter Laser) eignet sich aufgrund seiner hohen Übertragungsgeschwindigkeit und geringen Kosten für verschiedene Bereiche der Glasfaserkommunikation.
2. Spektrale Eigenschaften und Modulationseigenschaften: Halbleiter-Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB-Laser) sind aufgrund ihrer hervorragenden spektralen Eigenschaften und Modulationseigenschaften zu einer wichtigen Lichtquelle in der Glasfaserkommunikation und der optischen Weltraumkommunikation geworden.
3. Kosten und Massenproduktion: Halbleiterlaser müssen die Vorteile niedriger Kosten und Massenproduktion bieten, um den Anforderungen der Großserienproduktion und -anwendung gerecht zu werden.
4. Stromverbrauch und Zuverlässigkeit: In Anwendungsszenarien wie Rechenzentren erfordern Halbleiterlaser einen geringen Stromverbrauch und eine hohe Zuverlässigkeit, um einen langfristig stabilen Betrieb zu gewährleisten.