Mikä on laserdiodi?

Mikä on laaserdiodi?

Laaserdiodin määritelmä

Laaserdiodi on diodi, joka voi tuottaa laservaloa sähköisesti virraten siihen virtaa. Se koostuu p-n-yhdistymästä, jossa on lisäksi luonnollinen kerros välissä, muodostaen p-i-n-rakenteen. Luonnollinen kerros on aktiivinen alue, jossa valoa tuotetaan elektronien ja aukkoihin liittyvän rekombinaation kautta.

P-tyyppiset ja n-tyyppiset alueet ovat runsaasti impuureilla rikkonettuja luomassa ylijäämäisiä kuljettajia, kun taas luonnollinen kerros on ei-dopattu tai vähän dopattu sallimaan optista vahvistusta. Luonnollisen kerroksen päät on peitetty heijastavilla materiaaleilla, toinen täysin heijastava ja toinen osittain heijastava, muodostaen optisen kaapelin, joka kiinnittää valoa ja vahvistaa stimuloitua säteilyä.

Stimuloitu säteily tapahtuu, kun tuleva fotonus aiheuttaa herätetyssä tilassa olevan elektronin pudota alimmalle energiatasolle ja tuottaa toisen fotonin, joka on identtinen tulevan fotonin frekvenssillä, vaiheessa, polarisaatiossa ja suunnassa. Tällä tavoin kaapelin sisällä olevien fotonien määrä kasvaa eksponentiaalisesti, luomalla koherentin valosäteen, joka poistuu osittain heijastavan päähän kautta.

Laserivalon aaltopituus vaihtelee semijohtimateriaalin band gapin ja optisen kaapelin pituuden mukaan, mahdollistaen säteilyn eri osissa sähkömagneettista spektria, infrapunaisesta ultraviolettiaan asti.

Toimintamekanismi

Laaserdiodi toimii soveltamalla eteenpäin suuntautunutta epätasa-arvoa p-n-yhdistymään, mikä aiheuttaa virran kulkevan laitteen läpi. Virta injektoidaan elektronit n-tyyppisestä alueesta ja aukot p-tyyppisestä alueesta luonnolliseen kerrokseen, jossa ne rekombinoituvat ja vapauttavat energiaa fotonien muodossa.

Jotkut näistä fotoneista syntyvät spontaansesti satunnaisiin suuntiin, kun taas muut stimuloituvat olemassa olevien kaapelin sisällä olevien fotonien kautta säteilemään niiden kanssa samassa vaiheessa. Stimuloidut fotonit heijastuvat takaisin ja eteenpäin heijastavien päiden välillä, aiheuttaen lisää stimuloitua säteilyä ja luomalla populaatiokäänteisen tilanteen, jossa on enemmän herätettyjä elekronisia kuin ei-herätettyjä.

Kun populaatiokäänteinen tilanne saavuttaa kynnysarvon, saavutetaan vakiovaihetila, jossa stimuloitun säteilyn nopeus vastaa fotonien häviön nopeutta siirrossa tai absorboinnissa. Laaserdiodin ulostulo teho riippuu syöttövirrasta ja laitteen tehokkuudesta.

Ulostulo teho riippuu laitteen lämpötilasta; korkeammat lämpötilat vähentävät tehokkuutta ja nostavat kynnyksvirran, mikä edellyttää järjestelmiä optimaaliseen toimintaan.

Laaserdiodien tyypit

Laaserdiodit luokitellaan eri tyypiksi niiden rakenteen, toimintatavan, aaltopituuden, ulostulo tehon ja sovelluksen perusteella. Joitakin yleisiä tyyppejä ovat:

• Yksimoodilaiset laaserdiodit

• Monimoodilaiset laaserdiodit

• Master oscillator power amplifier (MOPA) -laaserdiodit

• Pystysuora kaapeli pintasuuntautuva (VCSEL) -laaserdiodit

• Jakautunut palautetta (DFB) -laaserdiodit

• Ulkokaapeli diodelaserit (ECDLs)

Laaserdiodien sovellukset

• Optinen tallennus

• Optinen viestintä

• Optinen skannaus

• Optinen havainto

• Optinen näyttö

• Optinen kirurgia

Laaserdiodien edut

• Kompakti koko

• Alhainen energiakulutus

• Korkea tehokkuus

• Pitkä elinkaari

• Monipuolisuus

Laaserdiodien haitat

• Lämpöherkkyyden

• Optinen palautte

• Tilan hyppyminen

• Kustannukset

Yhteenveto

Laaserdiodi on semijohtinlaite, joka tuottaa koherenttia valoa stimuloitun säteilyn kautta. Se on samankaltainen kuin valosäteilevä diodi (LED), mutta sillä on monimutkaisempi rakenne ja nopeampi vasta-aika.

Laaserdiodi koostuu p-n-yhdistymästä, jossa on lisäksi luonnollinen kerros välissä, muodostaen p-i-n-rakenteen. Luonnollinen kerros on aktiivinen alue, jossa valoa tuotetaan elektronien ja aukkoihin liittyvän rekombinaation kautta.

Laaserdiodi toimii soveltamalla eteenpäin suuntautunutta epätasa-arvoa p-n-yhdistymään, mikä aiheuttaa virran kulkevan laitteen läpi. Virta injektoidaan elektronit n-tyyppisestä alueesta ja aukot p-tyyppisestä alueesta luonnolliseen kerrokseen, jossa ne rekombinoituvat ja vapauttavat energiaa fotonien muodossa.

Jotkut näistä fotoneista syntyvät spontaansesti satunnaisiin suuntiin, kun taas muut stimuloituvat olemassa olevien kaapelin sisällä olevien fotonien kautta säteilemään niiden kanssa samassa vaiheessa. Stimuloidut fotonit heijastuvat takaisin ja eteenpäin heijastavien päiden välillä, aiheuttaen lisää stimuloitua säteilyä ja luomalla populaatiokäänteisen tilanteen, jossa on enemmän herätettyjä elektronisia kuin ei-herätettyjä.

Kun populaatiokäänteinen tilanne saavuttaa kynnysarvon, saavutetaan vakiovaihetila, jossa stimuloitun säteilyn nopeus vastaa fotonien häviön nopeutta siirrossa tai absorboinnissa. Laaserdiodin ulostulo teho riippuu syöttövirrasta ja laitteen tehokkuudesta.

Laserivalon aaltopituus riippuu semijohtimateriaalin band gapin ja optisen kaapelin pituuden mukaan. Laaserdiodit voivat tuottaa valoa eri osissa sähkömagneettista spektria, infrapunaisesta ultraviolettiaan asti.

Laaserdiodit luokitellaan eri tyypiksi niiden rakenteen, toimintatavan, aaltopituuden, ulostulo tehon ja sovelluksen perusteella. Joitakin yleisiä tyyppejä ovat yksimoodilaiset laaserdiodit, monimoodilaiset laaserdiodit, master oscillator power amplifier (MOPA) -laaserdiodit, pystysuora kaapeli pintasuuntautuva (VCSEL) -laaserdiodit, jakautunut palautetta (DFB) -laaserdiodit, ulkokaapeli diodelaserit (ECDLs) jne.

Laaserdiodilla on laaja sovellusalue eri aloilla sen etujen ansiosta, kuten kompakti koko, alhainen energiakulutus, korkea tehokkuus, pitkä elinkaari ja monipuolisuus. Jotkut niiden sovellukset ovat optinen tallennus, optinen viestintä, optinen skannaus, optinen havainto, optinen näyttö ja optinen kirurgia.

Huolimatta niiden eduista, laaserdiodilla on puutteita, kuten lämpöherkkyyden, optinen palautte, tilan hyppyminen ja korkeat kustannukset.