مبدأ عمل ليزر أشباه الموصلات

مبدأ عملليزر أشباه الموصلات

أولاً وقبل كل شيء، يتم تقديم متطلبات المعلمات الخاصة بأشعة الليزر شبه الموصلة، والتي تشمل بشكل أساسي الجوانب التالية:
1. الأداء الكهروضوئي: بما في ذلك نسبة الانقراض، وعرض الخط الديناميكي، والمعلمات الأخرى، تؤثر هذه المعلمات بشكل مباشر على أداء ليزرات أشباه الموصلات في أنظمة الاتصالات.
2. المعايير الهيكلية: مثل حجم الإضاءة وترتيبها، وتحديد نهاية الاستخراج، وحجم التركيب، وحجم المخطط الخارجي.
3. الطول الموجي: يتراوح الطول الموجي لأشباه الموصلات الليزرية بين 650 و1650 نانومتر، والدقة عالية.
4. تيار العتبة (Ith) وتيار التشغيل (lop): تحدد هذه المعلمات ظروف بدء التشغيل وحالة عمل ليزر أشباه الموصلات.
5. القدرة والجهد: من خلال قياس القدرة والجهد والتيار لليزر أشباه الموصلات أثناء العمل، يمكن رسم منحنيات PV و PI و IV لفهم خصائص عملها.

مبدأ العمل
1. شروط الكسب: يتم تحديد توزيع انعكاس حاملات الشحنة في وسط الليزر (المنطقة الفعالة). في أشباه الموصلات، تُمثَّل طاقة الإلكترونات بسلسلة من مستويات الطاقة شبه المتصلة. لذلك، يجب أن يكون عدد الإلكترونات في قاع نطاق التوصيل في حالة الطاقة العالية أكبر بكثير من عدد الفجوات في قمة نطاق التكافؤ في حالة الطاقة المنخفضة بين منطقتي نطاقي الطاقة لتحقيق انعكاس عدد الجسيمات. ويتحقق ذلك بتطبيق انحياز موجب على الوصلة المتجانسة أو غير المتجانسة وحقن الحاملات اللازمة في الطبقة الفعالة لإثارة الإلكترونات من نطاق التكافؤ ذي الطاقة المنخفضة إلى نطاق التوصيل ذي الطاقة العالية. عندما يتحد عدد كبير من الإلكترونات في حالة توزيع الجسيمات المعكوسة مع الفجوات، يحدث الانبعاث المحفز.
٢. للحصول على إشعاع محفز متماسك، يجب إعادة تغذية هذا الإشعاع عدة مرات في الرنان البصري لتكوين تذبذب الليزر. يتكون رنان الليزر من سطح الانقسام الطبيعي لبلورة أشباه الموصلات كمرآة، وعادةً ما يُطلى طرفه الأمامي بطبقة عازلة متعددة الطبقات عالية الانعكاس، بينما يُطلى سطحه الأملس بطبقة ذات انعكاس منخفض. أما بالنسبة لليزر أشباه الموصلات ذي تجويف فابري-بيرو، فيمكن إنشاء هذا التجويف بسهولة باستخدام مستوى الانقسام الطبيعي العمودي على مستوى وصلة pn للبلورة.
(3) لتكوين تذبذب مستقر، يجب أن يوفر وسط الليزر كسبًا كافيًا لتعويض الفقد البصري الناتج عن الرنان والفقد الناتج عن خرج الليزر من سطح التجويف، وزيادة المجال الضوئي داخل التجويف باستمرار. يتطلب ذلك حقن تيار قوي بما يكفي، أي وجود انعكاس كافٍ في عدد الجسيمات؛ فكلما زادت درجة انعكاس عدد الجسيمات، زاد الكسب، أي يجب أن يستوفي شرط عتبة تيار معينة. عندما يصل الليزر إلى هذه العتبة، يمكن للضوء ذي الطول الموجي المحدد أن يرن في التجويف ويتضخم، ليشكل في النهاية ليزرًا وخرجًا مستمرًا.

متطلبات الأداء
1. عرض نطاق التعديل ومعدله: تُعدّ ليزرات أشباه الموصلات وتقنية التعديل الخاصة بها أساسية في الاتصالات الضوئية اللاسلكية، ويؤثر عرض نطاق التعديل ومعدله بشكل مباشر على جودة الاتصال. ليزر مُعدَّل داخليًا (ليزر معدل مباشرةيُعدّ هذا النوع من الاتصالات مناسبًا لمختلف المجالات في مجال الاتصالات عبر الألياف الضوئية نظرًا لسرعة نقله العالية وتكلفته المنخفضة.
2. الخصائص الطيفية وخصائص التعديل: ليزرات التغذية الراجعة الموزعة لأشباه الموصلات (ليزر DFBأصبحت مصادر الضوء المهمة في الاتصالات عبر الألياف الضوئية والاتصالات الضوئية الفضائية نظرًا لخصائصها الطيفية الممتازة وخصائص التعديل.
3. التكلفة والإنتاج الضخم: تحتاج ليزرات أشباه الموصلات إلى مزايا التكلفة المنخفضة والإنتاج الضخم لتلبية احتياجات الإنتاج والتطبيقات واسعة النطاق.
4. استهلاك الطاقة والموثوقية: في سيناريوهات التطبيق مثل مراكز البيانات، تتطلب ليزرات أشباه الموصلات استهلاكًا منخفضًا للطاقة وموثوقية عالية لضمان التشغيل المستقر على المدى الطويل.