หลักการทำงานของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

หลักการทำงานของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

ประการแรก จะมีการกล่าวถึงข้อกำหนดพารามิเตอร์สำหรับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งรวมถึงประเด็นหลักๆ ต่อไปนี้:
1. ประสิทธิภาพโฟโตอิเล็กทริก: รวมถึงอัตราส่วนการสูญพันธุ์ ความกว้างเส้นไดนามิก และพารามิเตอร์อื่นๆ พารามิเตอร์เหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ในระบบสื่อสาร
2. พารามิเตอร์โครงสร้าง เช่น ขนาดและการจัดเรียงของแสง การกำหนดปลายสกัด ขนาดการติดตั้ง และขนาดโครงร่าง
3. ความยาวคลื่น: ช่วงความยาวคลื่นของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์คือ 650~1650 นาโนเมตร และมีความแม่นยำสูง
4. กระแสขีดจำกัด (Ith) และกระแสไฟฟ้าทำงาน (lop): พารามิเตอร์เหล่านี้กำหนดเงื่อนไขการเริ่มต้นและสถานะการทำงานของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์
5. กำลังและแรงดันไฟฟ้า: การวัดกำลัง แรงดันไฟฟ้า และกระแสไฟฟ้าของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ขณะทำงาน ช่วยให้สามารถวาดเส้นโค้ง PV, PI และ IV เพื่อทำความเข้าใจลักษณะการทำงานของเลเซอร์ได้

หลักการทำงาน
1. เงื่อนไขเกน: การกระจายตัวแบบผกผันของตัวพาประจุในตัวกลางเลเซอร์ (บริเวณแอคทีฟ) ถูกสร้างขึ้น ในสารกึ่งตัวนำ พลังงานของอิเล็กตรอนจะแสดงเป็นชุดของระดับพลังงานที่เกือบต่อเนื่องกัน ดังนั้น จำนวนอิเล็กตรอนที่ด้านล่างของแถบการนำไฟฟ้าในสถานะพลังงานสูงจะต้องมากกว่าจำนวนโฮลที่ด้านบนของแถบวาเลนซ์ในสถานะพลังงานต่ำระหว่างบริเวณแถบพลังงานทั้งสองอย่างมาก เพื่อให้ได้จำนวนอนุภาคแบบผกผัน ซึ่งทำได้โดยการใช้ไบแอสบวกกับโฮลที่เชื่อมต่อแบบโฮโมจันก์ชันหรือเฮเทอโรจันก์ชัน และฉีดตัวพาที่จำเป็นเข้าไปในชั้นแอคทีฟเพื่อกระตุ้นอิเล็กตรอนจากแถบวาเลนซ์พลังงานต่ำไปยังแถบการนำไฟฟ้าที่มีพลังงานสูงกว่า เมื่ออิเล็กตรอนจำนวนมากในสถานะประชากรอนุภาคแบบกลับด้านรวมตัวกับโฮลอีกครั้ง จะเกิดการปลดปล่อยพลังงานกระตุ้นขึ้น
2. เพื่อให้ได้รังสีกระตุ้นที่สอดคล้องกันอย่างแท้จริง รังสีกระตุ้นจะต้องถูกป้อนกลับเข้าไปในเรโซเนเตอร์แสงหลายครั้งเพื่อสร้างการสั่นของเลเซอร์ เรโซเนเตอร์ของเลเซอร์ถูกสร้างขึ้นจากพื้นผิวแยกตามธรรมชาติของผลึกเซมิคอนดักเตอร์เป็นกระจก ซึ่งมักจะเคลือบที่ปลายแสงด้วยฟิล์มไดอิเล็กตริกหลายชั้นที่มีการสะท้อนแสงสูง และเคลือบที่พื้นผิวเรียบด้วยฟิล์มสะท้อนแสงที่ลดลง สำหรับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์โพรง Fp (โพรง Fabry-Perot) โพรง FP สามารถสร้างได้ง่ายโดยใช้ระนาบแยกตามธรรมชาติที่ตั้งฉากกับระนาบรอยต่อ pn ของผลึก
(3) เพื่อให้เกิดการสั่นที่เสถียร ตัวกลางเลเซอร์ต้องสามารถให้ค่าเกนที่มากพอที่จะชดเชยการสูญเสียแสงที่เกิดจากเรโซเนเตอร์และการสูญเสียที่เกิดจากเอาต์พุตเลเซอร์จากพื้นผิวโพรง และเพิ่มสนามแสงในโพรงอย่างต่อเนื่อง ต้องมีการฉีดกระแสที่แรงเพียงพอ นั่นคือ มีการกลับด้านจำนวนอนุภาคที่เพียงพอ ยิ่งระดับการกลับด้านจำนวนอนุภาคสูง ค่าเกนก็จะยิ่งมากขึ้น นั่นคือ ต้องเป็นไปตามเงื่อนไขขีดจำกัดกระแสที่กำหนด เมื่อเลเซอร์ถึงขีดจำกัด แสงที่มีความยาวคลื่นจำเพาะจะถูกสะท้อนและขยายในโพรง และในที่สุดก็จะเกิดเลเซอร์และเอาต์พุตต่อเนื่อง

ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ
1. แบนด์วิดท์และอัตราการมอดูเลต: เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์และเทคโนโลยีการมอดูเลตมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการสื่อสารด้วยแสงไร้สาย และแบนด์วิดท์และอัตราการมอดูเลตส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพการสื่อสาร เลเซอร์ที่มอดูเลตภายใน (เลเซอร์แบบปรับโดยตรง) เหมาะสำหรับสาขาต่างๆ ในระบบการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง เนื่องจากมีความเร็วในการส่งข้อมูลสูงและต้นทุนต่ำ
2. ลักษณะสเปกตรัมและลักษณะการมอดูเลต: เลเซอร์ป้อนกลับแบบกระจายของเซมิคอนดักเตอร์(ดีเอฟบี เลเซอร์) ได้กลายเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่สำคัญในการสื่อสารด้วยเส้นใยแก้วนำแสงและการสื่อสารด้วยแสงอวกาศเนื่องจากคุณลักษณะสเปกตรัมและคุณสมบัติการมอดูเลตที่ยอดเยี่ยม
3. ต้นทุนและการผลิตจำนวนมาก: เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์จำเป็นต้องมีข้อได้เปรียบของต้นทุนต่ำและการผลิตจำนวนมากเพื่อตอบสนองความต้องการในการผลิตและการใช้งานขนาดใหญ่
4. การใช้พลังงานและความน่าเชื่อถือ: ในสถานการณ์การใช้งาน เช่น ศูนย์ข้อมูล เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ต้องใช้พลังงานต่ำและความน่าเชื่อถือสูงเพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานมีเสถียรภาพในระยะยาว