반도체 레이저의 작동 원리

작동 원리반도체 레이저

우선 반도체 레이저의 파라미터 요구 사항을 소개하는데, 주요 사항은 다음과 같습니다.
1. 광전 성능: 소멸비, 동적 선폭 및 기타 매개변수를 포함하며, 이러한 매개변수는 통신 시스템에서 반도체 레이저의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.
2. 구조적 매개변수: 조명기구의 크기 및 배치, 배기구 끝단 정의, 설치 크기 및 외형 크기 등.
3. 파장: 반도체 레이저의 파장 범위는 650~1650nm이며, 정확도가 높습니다.
4. 임계 전류(Ith) 및 동작 전류(lop): 이 매개변수들은 반도체 레이저의 시동 조건과 작동 상태를 결정합니다.
5. 전력 및 전압: 작동 중인 반도체 레이저의 전력, 전압 및 전류를 측정하여 PV, PI 및 IV 곡선을 그려 작동 특성을 이해할 수 있습니다.

작동 원리
1. 이득 조건: 레이저 발진 매질(활성 영역) 내 전하 운반체의 반전 분포가 확립됩니다. 반도체에서 전자의 에너지는 거의 연속적인 에너지 준위들의 연속으로 표현됩니다. 따라서 입자 수의 반전을 이루기 위해서는 두 에너지 밴드 영역 사이의 높은 에너지 상태에 있는 전도대 하단의 전자 수가 낮은 에너지 상태에 있는 가전자대 상단의 정공 수보다 훨씬 많아야 합니다. 이는 동종 접합 또는 이종 접합에 양의 바이어스를 인가하고 필요한 전하 운반체를 활성층에 주입하여 낮은 에너지의 가전자대에서 높은 에너지의 전도대로 전자를 여기시킴으로써 달성됩니다. 반전된 입자 분포 상태에 있는 다수의 전자가 정공과 재결합할 때 유도 방출이 발생합니다.
2. 실제로 결맞음 유도 복사를 얻기 위해서는 유도 복사를 광 공진기에서 여러 번 되먹임하여 레이저 발진을 형성해야 합니다. 레이저 공진기는 반도체 결정의 자연적인 벽개면을 거울처럼 이용하여 형성되며, 일반적으로 광단에는 높은 반사율을 가진 다층 유전체 박막을 도금하고, 매끄러운 면에는 반사율을 낮춘 박막을 도금합니다. Fp 공진기(Fabry-Perot 공진기) 반도체 레이저의 경우, 결정의 pn 접합면에 수직인 자연적인 벽개면을 이용하면 FP 공진기를 쉽게 구성할 수 있습니다.
(3) 안정적인 발진을 형성하기 위해서는 레이저 매질이 공진기에 의한 광손실과 공진기 표면에서 레이저 출력에 의한 손실을 보상하고 공진기 내의 광장을 지속적으로 증가시킬 수 있을 만큼 충분히 큰 이득을 제공해야 합니다. 이를 위해서는 충분히 강한 전류 주입이 필요하며, 즉 입자 수 반전이 충분히 이루어져야 합니다. 입자 수 반전 정도가 높을수록 이득이 커지므로, 특정 전류 임계 조건을 충족해야 합니다. 레이저가 이 임계점에 도달하면 특정 파장의 빛이 공진기 내에서 공진하고 증폭되어 최종적으로 레이저의 연속적인 출력을 형성할 수 있습니다.

성능 요구사항
1. 변조 대역폭 및 변조율: 반도체 레이저와 그 변조 기술은 무선 광통신에서 매우 중요하며, 변조 대역폭과 변조율은 통신 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 내부 변조 레이저(직접 변조 레이저고속 전송과 저렴한 비용 덕분에 광섬유 통신의 다양한 분야에 적합합니다.
2. 스펙트럼 특성 및 변조 특성: 반도체 분산 피드백 레이저(DFB 레이저광전자들은 우수한 스펙트럼 특성과 변조 특성 덕분에 광섬유 통신 및 우주 광통신에서 중요한 광원으로 자리 잡았습니다.
3. 비용 및 대량 생산: 반도체 레이저는 대규모 생산 및 응용 분야의 요구를 충족하기 위해 저비용 및 대량 생산이라는 이점을 갖춰야 합니다.
4. 전력 소비 및 신뢰성: 데이터 센터와 같은 응용 분야에서 반도체 레이저는 장기간 안정적인 작동을 보장하기 위해 낮은 전력 소비와 높은 신뢰성이 요구됩니다.