半導体レーザーの動作原理

の動作原理半導体レーザー

まず、半導体レーザーのパラメータ要件について説明します。主に以下の点が含まれます。
1. 光電性能：消光比、動的線幅などのパラメータを含み、これらのパラメータは通信システムにおける半導体レーザーの性能に直接影響します。
2. 構造パラメータ：発光サイズと配置、抽出端の定義、設置サイズ、外形サイズなど。
3.波長：半導体レーザーの波長範囲は650〜1650nmであり、精度は高い。
4. 閾値電流（Ith）と動作電流（Iop）：これらのパラメータは、半導体レーザーの起動条件と動作状態を決定します。
5. 電力と電圧: 動作中の半導体レーザーの電力、電圧、電流を測定することで、PV、PI、IV 曲線を描き、その動作特性を把握できます。

動作原理
1. 利得条件：レーザー媒体（活性領域）における電荷キャリアの反転分布が確立されます。半導体では、電子のエネルギーはほぼ連続した一連のエネルギー準位によって表されます。したがって、粒子数の反転を実現するには、高エネルギー状態の伝導帯底部の電子数が、2つのエネルギー帯領域間の低エネルギー状態の価電子帯頂部の正孔数よりもはるかに多くなければなりません。これは、ホモ接合またはヘテロ接合に正バイアスを印加し、必要なキャリアを活性層に注入して、低エネルギー価電子帯から高エネルギー伝導帯に電子を励起することによって実現されます。反転した粒子集団状態にある多数の電子が正孔と再結合すると、誘導放出が発生します。
2. 実際にコヒーレントな誘導放射を得るためには、誘導放射を光共振器内で複数回フィードバックさせてレーザー発振させる必要があり、レーザーの共振器は半導体結晶の自然劈開面を鏡面として形成され、通常、光の端には高反射多層誘電体膜が、平滑面には反射率を低減した膜がメッキされる。Fp共振器（ファブリ・ペロー共振器）半導体レーザーの場合、結晶のpn接合面に垂直な自然劈開面を利用することで、FP共振器を容易に構成できる。
（3）安定した発振を形成するために、レーザー媒質は、共振器による光損失とキャビティ表面からのレーザー出力による損失を補償するのに十分な大きさの利得を提供し、キャビティ内の光場を一定に増加させることができなければならない。これには、十分に強い電流注入、つまり十分な粒子数反転が必要であり、粒子数反転の度合いが高いほど利得は大きくなります。つまり、要件は特定の電流閾値条件を満たす必要があります。レーザーが閾値に達すると、特定の波長の光がキャビティ内で共振して増幅され、最終的にレーザーと連続出力を形成できます。

パフォーマンス要件
1. 変調帯域幅と変調速度：半導体レーザーとその変調技術は、光無線通信において非常に重要であり、変調帯域幅と変調速度は通信品質に直接影響を及ぼします。内部変調レーザー（直接変調レーザー）は、高速伝送と低コストを特徴としているため、光ファイバー通信のさまざまな分野に適しています。
2. 分光特性と変調特性：半導体分布帰還型レーザー（DFBレーザー）は、その優れた分光特性や変調特性から光ファイバ通信や宇宙光通信における重要な光源となっている。
3. コストと大量生産：半導体レーザーは、大規模生産とアプリケーションのニーズを満たすために、低コストと大量生産の利点を備えている必要があります。
4. 消費電力と信頼性: データセンターなどのアプリケーションシナリオでは、長期にわたる安定した動作を保証するために、半導体レーザーには低消費電力と高い信頼性が求められます。