半導体レーザーの動作原理

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。主な内容は以下のとおりです。
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：発光体のサイズと配置、抽出端の定義、設置サイズ、外形寸法など。
3. 波長：半導体レーザーの波長範囲は650～1650nmで、精度が高い。
4. しきい値電流 (Ith) と動作電流 (lop) : 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：半導体レーザーの動作中の電力、電圧、電流を測定することにより、PV、PI、IV曲線を描き、その動作特性を理解することができます。

動作原理
1. 利得条件：レーザー媒質（活性領域）における電荷キャリアの反転分布が確立される。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で表される。したがって、粒子数の反転を実現するには、2つのエネルギーバンド領域間の低エネルギー状態にある価電子帯上端の正孔数よりも、高エネルギー状態にある伝導帯底部の電子数の方がはるかに多くなければならない。これは、ホモ接合またはヘテロ接合に正のバイアスを印加し、活性層に必要なキャリアを注入して、低エネルギー価電子帯から高エネルギー伝導帯へ電子を励起することによって実現される。粒子数が反転した状態の多数の電子が正孔と再結合すると、誘導放出が発生する。
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してレーザー発振を形成する必要があります。レーザーの共振器は、半導体結晶の自然劈開面を鏡として形成され、通常は光の端に高反射多層誘電体膜をめっきし、平滑面には低反射膜をめっきします。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共振器を容易に構築できます。
（３）安定した発振を形成するためには、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ゲインを提供し、キャビティ内の光場を継続的に増加させることができなければなりません。そのためには、十分な電流注入、すなわち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ゲインは大きくなります。つまり、一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、最終的にレーザーが形成されて連続的に出力されます。

性能要件
1. 変調帯域幅とレート: 半導体レーザーとその変調技術は無線光通信において重要であり、変調帯域幅とレートは通信品質に直接影響します。内部変調レーザー (直接変調レーザー高速伝送と低コストのため、光ファイバー通信のさまざまな分野に適しています。
2. スペクトル特性と変調特性：半導体分布帰還レーザー（DFBレーザー優れた分光特性と変調特性を持つため、光ファイバー通信や宇宙光通信において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、大規模生産と用途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、半導体レーザーは長期にわたる安定した動作を確保するために、低消費電力と高い信頼性が求められます。