Laser Untuk Komunikasi

LASER UNTUK KOMUNIKASI

Semikonduktor Laser

Persyaratan untuk emitter yang digunakan untuk telekomunikasi adalah bahwa mereka beroperasi terus menerus untuk waktu yang lama pada suhu kamar. Mereka harus dari diameter kecil karena cahaya harus diberi makan secara efisien ke dalam inti serat optik. Comm hanya sumber yang digunakan adalah LED dan laser semikonduktor. Sebuah LED adalah murah dan memiliki waktu hidup yang lama tapi LED kurang efisien dalam kopling daya ke dalam inti serat dibandingkan laser. Laser yang digunakan untuk telekomunikasi harus mudah untuk dioperasikan dan cukup r ugged. The Nd: YAG laser (Itrium aluminium garnet (Y3Al5O12) dengan neodymium kenajisan + Nd3) telah digunakan tetapi lebih sulit ditangani dibandingkan laser semikonduktor.

Semikonduktor laser mirip dengan LED. Di persimpangan elektron bias maju pn (e-) dan lubang (h +) menggabungkan. Energi eksitasi diperlukan untuk menciptakan e - h + pasangan ini kemudian terbawa dari daerah persimpangan oleh fonon dan foton - gi terakhir Ving cahaya yang diinginkan. Laser membutuhkan PI yang pada gilirannya memerlukan n dan p-semikonduktor sangat berat diolah, ditunjukkan dengan tanda tambah: n + dan p +-material. Teruskan biasing dengan tegangan dekat kesenjangan energi (Eg/e-) menyebabkan kemudian ke PI antara tingkat energi dalam konduksi-(c) dan valensi (v) band mana biasanya v-band lebih penduduk maka c -band tentu saja. Zona sempit rekombinasi yang disebut sebagai daerah aktif dan ketebalannya dapat didekati dengan materi suhu nd difusi panjang tergantung dari elektron menjadi p +-menengah sejak e - mobilitas lebih tinggi dari mobilitas lubang. Oleh karena itu daerah aktif adalah beberapa m m tebal.

Keuntungan pada daerah aktif dari laser semikonduktor diberikan tingkat memompa tinggi (kerapatan arus) begitu tinggi bahwa seseorang dapat mengurangi panjang dari rongga optik untuk beberapa persepuluh milimeter dan kemudian masih mungkin untuk bekerja dengan cermin ulang rendah flectivity. Indeks bias tinggi semikonduktor menyebabkan reflektifitas cukup pada batas semikonduktor untuk udara bahkan tanpa menambahkan cermin. Untuk antarmuka Ga As (Gallium-arsenat) dengan udara misalnya reflektifitas adalah (Fr esnel reflektifitas):

 (3.1.1)

Penyesuaian paralel wajah mirroring akhir rongga optik dicapai dengan membelah sepanjang bidang kristal sehingga parallelity adalah yang sebenarnya di skala atom yang sangat kecil spasi dibandingkan dengan panjang gelombang yang digunakan. Reflektifitas dan selektivitas ength wavel dapat diubah oleh mekar wajah semikonduktor akhir membelah dengan coating optik yang berbeda. Volume di mana balok terbatas disebut volume mode.

Pengurungan sinar laser rongga optik untuk daerah aktif didukung oleh indeks bias sedikit lebih tinggi dari daerah aktif karena kelebihan pembawa muatan bebas. Contoh yang diberikan untuk laser disebut homojunction Laser beca penggunaan desain persimpangan sederhana. Volume modenya berisi daerah aktif tetapi menjangkau di luar itu di mana energi tersebut sedang diserap oleh e - h + - produksi pasangan. Balok ini buruk dipandu sepanjang daerah aktif. Pemompaan yang diperlukan dan kerugian panas perangkat cukup untuk membatasi ke output berdenyut untuk menghindari kerusakan dioda.

Para hetero ganda Laser Diode (DH-Laser)

Hetero adalah persimpangan antara lapisan sifat yang berbeda (misalnya: energi band yang berbeda gap) tetapi memiliki hampir struktur kisi yang sama. Para hetero ganda laser (DH-laser) menggunakan empat lapisan yang berbeda, misalnya n-GaAs-lapisan diikuti dengan N-GaAlAs-lapisan, maka p-GaAs-layer dan akhirnya P-GaAlAs satu di mana N dan P menunjukkan Band yang lebih besar kesenjangan.Aluminium yang mengandung lapisan memiliki indeks bias lebih rendah. Oleh karena itu struktur dengan lapisan-p sebagai daerah aktif di antara mereka memberikan pedoman yang baik gelombang. Untuk seperti laser volume modus bisa sama dengan daerah aktif (biasanya ca 0,2. m m). Kerugian karena penyerapan di luar daerah aktif yang sangat berkurang karena sinar laser hanya terbatas pada daerah aktif dan celah pita N-dan P-lapisan lebih lebar sehingga cahaya dari panjang gelombang penguat didukung tidak dapat absorbe d. Ini terbayar dalam efisiensi waktu dan kehidupan karena kurang memompa diperlukan dan kepadatan ambang saat ini di seluruh persimpangan yang dibutuhkan untuk awal penguat tindakan berkurang. Karena perbedaan band gap ada hambatan potensial pada erfaces int dari lapisan penguat terjepit ke Al-mengandung yang. Ini batas-batas biaya operator juga dan daerah aktif dapat dibuat sangat tipis. Para GaAs dengan Ga1-xAlxAs masih paling sering digunakan untuk DH-laser.Kelebihan dari bahan ini adalah:

-Mereka memiliki energi band gap memberikan radiasi dengan frekuensi di jendela transmisi pertama (820-880 nm). Batas gelombang panjang ditentukan oleh band gap Gaas. Tergantung pada isi Al celah pita dapat ditingkatkan hingga 700 nm.

-Indeks-indeks bias dan celah pita memungkinkan pembawa muatan baik dan kurungan balok dan kerugian rendah, maka mereka dapat dioperasikan tanpa pendingin Peltier.

-GaAs kesenjangan materi band langsung yang membuatnya mungkin bahwa sebuah elektron mengubah negaranya murni oleh interaksi dengan radiasi dan tanpa fonon terlibat.

Kesamaan-GaAs dan senyawa terner GaAlAs kisi memungkinkan untuk cocok dari lapisan terjepit dengan cacat hanya sedikit ketegangan pada antarmuka (cacat tersebut menimbulkan radiasi non-e - h + -. Rekombinasi).

Untuk transmisi jendela kedua (1300nm - OH penyerapan resonansi -1600 nm) salah satu kebutuhan senyawa kuartener, misalnya GaxIn1-xAs1-yPy, karena sifat-sifat senyawa tersebut dapat divariasikan melalui berbagai dengan mengubah x-dan y-faktor . Kelemahannya adalah bahwa GaP misalnya adalah semikonduktor pita tidak langsung kesenjangan. Selain itu, kisi senyawa kuartener lebih sulit untuk mencocokkan. Sebuah ketidaksesuaian (dislokasi sisi) antara konstanta kisi dari lapisan hanya 0,1% sudah dianggap sebagai tinggi karena memberikan tekanan banyak disebabkan tingkat perangkap yang menyebabkan radiasi non-e - h + - rekombinasi dan waktu hidup yang pendek juga karena energi dari menggusur sebuah dislokasi sisi kecil - sekitar 3eV. E - h- + -rekombinasi energi untuk II - VI komponen adalah tentang 3eV juga (GaAs hanya sekitar 2EV). Yang terakhir ini memungkinkan flek hitam tumbuh di sekitar cacat.

Amplifikasi Kondisi untuk Contoh DH-Laser

Dengan asumsi bahwa elektron daerah aktif dan lubang serta berada dalam kesetimbangan termal dengan elektron dan lubang di N-dan P-masing lapisan berarti bahwa kita dapat mengungkapkan kemungkinan pendudukan tingkat energi di lapisan aktif sebagai berikut:

 (3.3.1)

mana E2 adalah tingkat energi dari sebuah elektron di c-band dan e FN adalah tingkat Fermi kuasi wilayah N-dan:

 (3.3.2)

mana E1 adalah tingkat lubang (level adalah un diduduki!) di v-band dan e FP di tingkat Fermi kuasi wilayah P-. Kondisi untuk amplifikasi adalah bahwa tingkat penyerapan lebih kecil dari tingkat emisi: (3.3.3)

Hal berikut:  (3.3.4)

dan karenanya:  (3.3.5)

Daerah aktif (sangat doped p-GaAs di contoh kita) menunjukkan keuntungan hanya untuk cahaya dengan energi foton yang lebih rendah yang perbedaan tingkat Fermi tetapi tidak lebih rendah dari band gap tentu saja. Hal ini memerlukan setidaknya salah satu tingkat Fermi untuk berbaring di dalam sebuah band dari daerah aktif -e FN di dalam c-dan / atau e FP di dalam band v-. Karena keseimbangan berarti bahwa semua tingkat Fermi berada pada energi yang sama (Fermi level = potensial kimia) orang perlu bias maju yang sangat tinggi lebih besar dari tegangan celah pita daerah aktif untuk mencapai keuntungan.

Selanjutnya Perbaikan

Perkembangan yang lebih baru dari laser telekomunikasi misalnya geometri garis laser dan laser juga kuantum. Geometri Stripe berarti bahwa daerah aktif yang kecil dalam arah lateral dan tidak hanya ketat terbatas dengan memiliki band lapisan terjepit di celah sempit sangat tipis. Hal ini dicapai dengan isolasi oksida atau proton isolasi pemboman hampir seluruh persimpangan kecuali garis sempit. Keuntungan adalah operasi yang lebih rendah saat ini, panjang lateral yang mengurangi wilayah th e aktif menjadi lebih dekat dengan panjang inti serat - yang meningkatkan efisiensi kopling lebih lanjut - dan daya keluaran dibandingkan mengemudi hubungan saat ini lebih linier. Yang terakhir ini biasanya menunjukkan Kinks karena ketidakstabilan di dalam area lat erally luas aktif. Ini adalah ketidakstabilan pola seperti filamen pengungsi menyamping dari output radiasi yang lebih tinggi yang berkembang dan berubah seiring dengan arus mengemudi dan karena pengaruh saling distribusi carrier dan indeks bias.

Laser sumur kuantum memiliki lapisan aktif bahkan lebih tipis (sekitar 10 nm dicapai melalui epitaksi balok) dibandingkan dengan DH-laser. Hal ini menyebabkan sangat rendah arus ambang penguat (mA sedikit) karena kurungan kuat dalam satu arah mengubah kepadatan negara tersedia untuk elektron dan lubang. Akibatnya PI ini lebih mudah dicapai. Laser kuantum juga menderita banyak masalah.Gelombang bimbingan bersama seperti lapisan yang sempit tidak mungkin yang membutuhkan struktur kuantum multiple layer juga.

Persimpangan kecil menyebabkan sangat mempersempit sumur kuantum untuk elektron dan lubang. Oleh karena itu tingkat energi yang lebih jauh terpisah dari satu sama lain, juga negara-negara tanah.