หลักการทำงานของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

หลักการทำงานของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

ก่อนอื่น เราจะแนะนำข้อกำหนดด้านพารามิเตอร์สำหรับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วยประเด็นต่อไปนี้:
1. ประสิทธิภาพทางโฟโตอิเล็กทริก: รวมถึงอัตราส่วนการลดทอน ความกว้างของเส้นสเปกตรัมแบบไดนามิก และพารามิเตอร์อื่นๆ พารามิเตอร์เหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ในระบบสื่อสาร
2. พารามิเตอร์เชิงโครงสร้าง: เช่น ขนาดและการจัดเรียงของแสง การกำหนดปลายการดูดอากาศ ขนาดการติดตั้ง และขนาดโดยรวม
3. ความยาวคลื่น: ช่วงความยาวคลื่นของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์อยู่ที่ 650~1650 นาโนเมตร และมีความแม่นยำสูง
4. กระแสเกณฑ์ (Ith) และกระแสการทำงาน (lop): พารามิเตอร์เหล่านี้เป็นตัวกำหนดเงื่อนไขการเริ่มต้นและสถานะการทำงานของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์
5. กำลังและแรงดันไฟฟ้า: โดยการวัดกำลัง แรงดันไฟฟ้า และกระแสไฟฟ้าของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ขณะทำงาน สามารถสร้างกราฟ PV, PI และ IV เพื่อทำความเข้าใจลักษณะการทำงานของเลเซอร์ได้

หลักการทำงาน
1. เงื่อนไขการขยายสัญญาณ: การกระจายตัวแบบผกผันของตัวนำประจุในตัวกลางเลเซอร์ (บริเวณแอคทีฟ) ถูกสร้างขึ้น ในสารกึ่งตัวนำ พลังงานของอิเล็กตรอนแสดงด้วยชุดของระดับพลังงานที่เกือบต่อเนื่อง ดังนั้น จำนวนอิเล็กตรอนที่ด้านล่างของแถบนำไฟฟ้าในสถานะพลังงานสูงจะต้องมีมากกว่าจำนวนโฮลที่ด้านบนของแถบวาเลนซ์ในสถานะพลังงานต่ำระหว่างสองบริเวณแถบพลังงาน เพื่อให้เกิดการผกผันของจำนวนอนุภาค ซึ่งทำได้โดยการให้ไบแอสบวกกับโฮโมจังก์ชันหรือเฮเทโรจังก์ชัน และฉีดตัวนำที่จำเป็นเข้าไปในชั้นแอคทีฟเพื่อกระตุ้นอิเล็กตรอนจากแถบวาเลนซ์พลังงานต่ำไปยังแถบนำไฟฟ้าพลังงานสูง เมื่ออิเล็กตรอนจำนวนมากในสถานะประชากรอนุภาคแบบผกผันรวมตัวกับโฮล การปล่อยแสงแบบกระตุ้นก็จะเกิดขึ้น
2. เพื่อให้ได้รังสีแบบกระตุ้นที่สอดคล้องกันอย่างแท้จริง รังสีแบบกระตุ้นจะต้องถูกป้อนกลับหลายครั้งในตัวเรโซเนเตอร์เชิงแสงเพื่อสร้างการสั่นของเลเซอร์ ตัวเรโซเนเตอร์ของเลเซอร์นั้นสร้างขึ้นจากพื้นผิวการแตกตามธรรมชาติของผลึกเซมิคอนดักเตอร์เป็นกระจก โดยปกติจะเคลือบปลายด้านหนึ่งของตัวเรโซเนเตอร์ด้วยฟิล์มไดอิเล็กทริกหลายชั้นที่มีการสะท้อนสูง และพื้นผิวเรียบจะเคลือบด้วยฟิล์มที่มีการสะท้อนลดลง สำหรับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบโพรง Fp (โพรง Fabry-Perot) โพรง FP สามารถสร้างได้ง่ายโดยใช้ระนาบการแตกตามธรรมชาติที่ตั้งฉากกับระนาบรอยต่อ pn ของผลึก
(3) เพื่อให้เกิดการสั่นที่เสถียร สื่อเลเซอร์ต้องสามารถให้การขยายที่มากพอที่จะชดเชยการสูญเสียทางแสงที่เกิดจากตัวเรโซเนเตอร์และการสูญเสียที่เกิดจากเอาต์พุตเลเซอร์จากพื้นผิวโพรง และเพิ่มสนามแสงในโพรงอย่างต่อเนื่อง ซึ่งต้องมีการฉีดกระแสไฟฟ้าที่แรงพอ นั่นคือมีการผกผันจำนวนอนุภาคที่เพียงพอ ยิ่งระดับการผกผันจำนวนอนุภาคสูงเท่าใด การขยายก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น นั่นคือต้องมีเงื่อนไขเกณฑ์กระแสไฟฟ้าที่แน่นอน เมื่อเลเซอร์ถึงเกณฑ์ แสงที่มีความยาวคลื่นเฉพาะสามารถเกิดการสั่นพ้องในโพรงและขยาย และในที่สุดก็ก่อให้เกิดเลเซอร์และเอาต์พุตอย่างต่อเนื่อง

ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ
1. แบนด์วิดท์และอัตราการมอดูเลชั่น: เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์และเทคโนโลยีการมอดูเลชั่นมีความสำคัญอย่างยิ่งในการสื่อสารด้วยแสงแบบไร้สาย และแบนด์วิดท์และอัตราการมอดูเลชั่นส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพการสื่อสาร เลเซอร์แบบมอดูเลชั่นภายใน (เลเซอร์ที่ปรับค่าโดยตรง(ชื่อเทคโนโลยีนี้) เหมาะสำหรับงานด้านต่างๆ ในการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง เนื่องจากมีความเร็วในการส่งข้อมูลสูงและต้นทุนต่ำ
2. ลักษณะสเปกตรัมและลักษณะการมอดูเลชั่น: เลเซอร์แบบกระจายฟีดแบ็กเซมิคอนดักเตอร์(เลเซอร์ DFBอนุภาคนาโนคาร์บอน (หรือที่เรียกว่าอนุภาคนาโนคาร์บอน) ได้กลายเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่สำคัญในระบบสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงและระบบสื่อสารอวกาศด้วยแสง เนื่องจากมีคุณสมบัติทางสเปกตรัมและคุณสมบัติการปรับสัญญาณที่ยอดเยี่ยม
3. ต้นทุนและการผลิตจำนวนมาก: เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์จำเป็นต้องมีข้อดีคือต้นทุนต่ำและสามารถผลิตได้ในปริมาณมาก เพื่อตอบสนองความต้องการในการผลิตและการใช้งานในวงกว้าง
4. การใช้พลังงานและความน่าเชื่อถือ: ในสถานการณ์การใช้งาน เช่น ศูนย์ข้อมูล เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ต้องการการใช้พลังงานต่ำและความน่าเชื่อถือสูง เพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่เสถียรในระยะยาว