Principe de fonctionnement d'un laser à semi-conducteur

Principe de fonctionnement delaser à semi-conducteur

Tout d'abord, les exigences relatives aux paramètres des lasers à semi-conducteurs sont présentées, notamment les aspects suivants :
1. Performances photoélectriques : incluant le taux d'extinction, la largeur de raie dynamique et d'autres paramètres, ces paramètres affectent directement les performances des lasers semi-conducteurs dans les systèmes de communication.
2. Paramètres structurels : tels que la taille et la disposition lumineuses, la définition de l'extrémité d'extraction, la taille d'installation et la taille du contour.
3. Longueur d'onde : La plage de longueurs d'onde du laser semi-conducteur est de 650 à 1650 nm, et la précision est élevée.
4. Courant de seuil (Ith) et courant de fonctionnement (lop) : Ces paramètres déterminent les conditions de démarrage et l'état de fonctionnement du laser semi-conducteur.
5. Puissance et tension : En mesurant la puissance, la tension et le courant du laser semi-conducteur en fonctionnement, les courbes PV, PI et IV peuvent être tracées pour comprendre leurs caractéristiques de fonctionnement.

Principe de fonctionnement
1. Conditions de gain : L'inversion de la distribution des porteurs de charge dans le milieu laser (région active) est établie. Dans un semi-conducteur, l'énergie des électrons est représentée par une série de niveaux d'énergie quasi continus. Par conséquent, pour obtenir l'inversion du nombre de particules, le nombre d'électrons au bas de la bande de conduction, dans l'état de haute énergie, doit être nettement supérieur au nombre de trous au sommet de la bande de valence, dans l'état de basse énergie. Ceci est réalisé en appliquant une polarisation positive à l'homojonction ou à l'hétérojonction et en injectant les porteurs nécessaires dans la couche active afin d'exciter les électrons de la bande de valence (basse énergie) vers la bande de conduction (haute énergie). Lorsqu'un grand nombre d'électrons, dans l'état de population de particules inversé, se recombinent avec des trous, une émission stimulée se produit.
2. Afin d'obtenir un rayonnement stimulé cohérent, ce rayonnement doit être réinjecté plusieurs fois dans le résonateur optique pour générer une oscillation laser. Le résonateur du laser est constitué de la surface de clivage naturelle du cristal semi-conducteur, utilisée comme miroir. Cette surface est généralement recouverte d'un film diélectrique multicouche à haute réflectivité sur l'extrémité exposée au faisceau, et d'un film à réflectivité réduite sur l'autre extrémité. Dans le cas d'un laser semi-conducteur à cavité Fabry-Pérot (FP), cette cavité peut être facilement réalisée en utilisant le plan de clivage naturel perpendiculaire au plan de jonction pn du cristal.
(3) Pour générer une oscillation stable, le milieu laser doit présenter un gain suffisamment élevé pour compenser les pertes optiques dues au résonateur et celles dues à la sortie du laser de la cavité, et pour accroître constamment le champ lumineux dans la cavité. Ceci requiert une injection de courant suffisamment importante, c'est-à-dire une inversion du nombre de particules suffisante. Plus le degré d'inversion est élevé, plus le gain est important ; autrement dit, un certain seuil de courant doit être atteint. Lorsque le laser atteint ce seuil, la lumière d'une longueur d'onde spécifique entre en résonance dans la cavité et est amplifiée, formant ainsi un laser à émission continue.

Exigences de performance
1. Bande passante et débit de modulation : les lasers à semi-conducteurs et leur technologie de modulation sont essentiels dans les communications optiques sans fil, et la bande passante et le débit de modulation affectent directement la qualité de la communication. Laser à modulation interne (laser à modulation directe) est adaptée à différents domaines de la communication par fibre optique grâce à sa transmission à haut débit et à son faible coût.
2. Caractéristiques spectrales et caractéristiques de modulation : Lasers à rétroaction distribuée à semi-conducteurs (Laser DFB) sont devenues une source de lumière importante dans les communications par fibre optique et les communications optiques spatiales en raison de leurs excellentes caractéristiques spectrales et de modulation.
3. Coût et production de masse : Les lasers à semi-conducteurs doivent présenter les avantages d'un faible coût et d'une production de masse pour répondre aux besoins de la production et des applications à grande échelle.
4. Consommation d'énergie et fiabilité : Dans des scénarios d'application tels que les centres de données, les lasers à semi-conducteurs nécessitent une faible consommation d'énergie et une fiabilité élevée pour assurer un fonctionnement stable à long terme.