Laser semikondukto semikonduktorr dikatakan "laser masa depan". Alasannya: mereka yang kompak, mereka memiliki potensi produksi massal, mereka dapat dengan mudah diintegrasikan, sifat mereka dalam perbaikan yang cepat, mereka menjadi lebih dan lebih kuat dan efisien dan mereka telah menemukan digunakan secara luas sebagai pompa untuk solid- state laser. Mayoritas bahan semikonduktor didasarkan pada kombinasi dari unsur-unsur unsur -unsur dalam kelompok ketiga dari Tabel Periodik (seperti Al, Ga, In) dan kelompok kelima (seperti N, P, As, Sb) maka disebut sebagai III -V senyawa. Contoh termasuk Gaas, AlGaAs, InGaAs dan paduan InGaAsP. Para cw Laser panjang gelombang emisi biasanya dalam 630 ~ 1600 nm, namun baru-baru InGaN semikonduktor laser ditemukan untuk menghasilkan menghasilkan cw 410 nm cahaya biru pada suhu kamar. Laser semikonduktor yang dapat menghasilkan cahaya biruhijau menggunakan bahan yang merupakan kombinasi dari unsur-unsur dari kelompok kedua (seperti Cd dan Zn) dan kelompok keenam (S, Se). Prinsip semikonduktor laser sangat berbeda dari CO 2 dan Nd: YAG laser. Hal ini didasarkan pada "Radiasi Rekombinasi". Kita dapat menjelaskan prinsip ini dengan mengacu pada gambar berikut.
Gambar 2.18: Prinsip laser semikonduktor Bahan semikonduktor memi memiliki liki pita valensi dan pita konduksi V C, tingkat energi pita pit a konduksi Misalnya (Misalnya> 0) lebih tinggi dari pita valensi. Untuk U ntuk membuat hal-hal sederhana, kita mulai analisis kita seandainya seandainya suhu menjadi 0 K. K . Ini dapat dibuktikan bahwa kesimpulan yang kita ambil di bawah 0 K berlaku untuk suhu normal. Berdasarkan asumsi untuk semikonduktor nondegenerate, awalnya pita konduksi benarbenar kosong dan pita valensi terisi penuh. Sekarang kita membangkitkan membangkitkan beberapa elektron dari band valensi ke pita konduksi, setelah sekitar 1 ps, elektron dalam pita konduksi drop ke tingkat terendah kosong dari band ini, kami nama batas atas dari tingkat energi elektron pada pita konduksi-kuasi Fermi tingkat E fc. Sementara lubang muncul dalam pita valensi dan elektron di dekat bagian atas pita valensi drop ke tingkat energi terendah dari tingkat energi valensi kosong, biarkan di atas pita valensi bagian kosong. Kami menyebutnya batas tingkat energi baru atas pita valensi kuasi-Fermi tingkat E FV. Ketika elektron pada pita konduksi lari ke pita valensi, mereka akan menggabungkan dengan lubang, dalam waktu yang sama mereka memancarkan foton. Ini adalah radiasi rekombinasi . Tugas kita adalah untuk membuat radiasi rekombinasi untuk Lase. Kemudian beberapa persyaratan persyaratan harus dipenuhi. Pertama untuk radiasi harus diperkuat, energi cahaya h harus memenuhi: E fc - E h
FV Misalnya
Dari hubungan ini kita memiliki E fc - E Misalnya FV. Ini memutuskan kondisi kritis. Nilai E dan E FV fc dipengaruhi oleh proses pemompaan, yaitu dengan intensitas (N) dari elektron yang diangkat ke pita konduksi. Ketika N meningkat, E dan E meningkatkan fc FV menurun. N memenuhi fc E - E FV = Misalnya bernama N tr.Kami menyuntikkan pembawa ke dalam bahan semikonduktor untuk membuat intensitas elektron bebas lebih besar dari th N, maka semikonduktor pameran keuntungan bersih. Kami menempatkan media ini aktif dalam rongga yang sesuai, tindakan laser yang terjadi saat ini keuntungan bersih mengatasi kerugian.Pemompaan laser semikonduktor dapat direalisasikan oleh sinar laser lain, atau oleh berkas elektron, tapi cara yang paling mudah adalah dengan menggunakan arus listrik yang mengalir melalui persimpangan semikonduktor. Ini menggunakan laser semikonduktor dalam bentuk dioda. Para laser semikonduktor awal adalah Laser Homojunction, yang dapat beroperasi hanya pada suhu cw kriogenik (seperti T = 77K). Homojunction berarti perangkat laser menggunakan bahan yang sama untuk kedua sisi p dan n persimpangan. Laser homojunction digantikan dengan double-heterostructure (DH) laser yang dapat beroperasi pada suhu kamar. Para menengah aktif DH laser terjepit di antara p dan bahan n, bahan p dan n berbeda dari bahan aktif. Dimensi semikonduktor laser sangat kecil, nilai khas adalah 100 m m * 200 * 50 m. Efisiensi konversi daya adalah beberapa persen untuk unit daya rendah dan dapat mencapai 30% untuk array laser. Daya keluaran meningkat dengan volume lapisan aktif, dioda array linier atau ditumpuk laser dapat menghasilkan sampai 20W cw dan peak power sampai 100W di kuasi-CW operasi. Sebuah masalah dengan laser semikonduktor relatif besar sudut divergensi nya (nilai khas 1 ~ 30 derajat), tapi cacat yang sedang diperbaiki dengan cepat. Daya yang lebih rendah sistem laser dioda, dari beberapa mW, digunakan di CD player, sistem penyimpanan optik, printer laser dan komunikasi. Dioda laser dengan 0.5W/diode Daya yang tersedia, ketika mereka dikemas ke dalam array, mereka dapat menghasilkan kekuatan beberapa kW. Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, laser semikonduktor berkembang cepat, biaya akan sangat berkurang ketika mereka bisa diproduksi secara massal. Sebuah aplikasi yang sangat penting dari laser dioda adalah untuk memompa energi laser sistem lain tinggi seperti Nd: YAG laser. Kita akan membahas teknik ini di tingkat lanjutan.
G 2.10: Gambar laser dioda (Courtesy of Lasermate Corporation)
Awal bekerja pada semikonduktor difokuskan pada silikon , tapi silikon itu sendiri tidak dapat memancarkan sinar laser.Penemuan transistor di Bell Laboratories pada tahun 1948 olehWilliam Schockley, Walter Brattain, dan John Bardeen mendorong penelitian pada semikonduktor lainnya. Hal ini juga menyediakan kerangka kerja konseptual yang akhirnya akan mengarah pada pemahaman tentang emisi cahaya dalam semikonduktor. Pada tahun 1952, Heinrich Welker, di Siemens di Jerman, menggambarkan semikonduktor dari unsur-unsur yang ditemukan dalam kolom III dan V dari tabel periodik sebagai berpotensi berguna untuk perangkat elektronik. Salah satunya,gallium arsenide , atau GaAs, adalah untuk fitur menonjol dalam pencarian untuk komunikasi yang efisien Laser . Prekursor yang diperlukan untuk eksploitasi penuh adalah studi dasar lapisan-demi lapis pertumbuhan tinggi kemurnian kristal , Penelitian cacat dan dopan (kotoran ditambahkan ke bahan murni untuk mengubah sifat-sifatnya), dan analisis efek panas pada stabilitas senyawa. Dengan kemajuan ini, kelompok penelitian di General Electric , IBM , dan Laboratorium Lincoln diMassachusetts Institute of Technology mengembangkan laser GaAs bekerja pada tahun 1962. Tapi masalah lama bertahan: overheating. Laser yang digunakan semikonduktor tunggal, biasanya GaAs, tidak sangat efisien. Mereka masih dibutuhkan listrik begitu banyak untuk memulai tindakan laser yang, pada suhu ruang normal, mereka cepat panas, lagi, hanya operasi berdenyut itu mungkin, yang tidak praktis untuk komunikasi. Fisikawan mencoba berbagai metode untuk menghilangkan panas - seperti menempatkan laser di atas bahan lain yang konduktor panas yang baik, namun tidak berhasil. Kemudian, pada tahun 1963, Herbert Kroeme r di University of Colorado mengusulkan pendekatan yang berbeda - untuk membangun laser yang terdiri dari sandwich semikonduktor, dengan lapisan tipis aktif diatur antara dua lempengan material yang berbeda. Membatasi tindakan laser untuk lapisan aktif tipis akan memerlukan sangat sedikit saat ini dan akan terus output panas pada tingkat ditangani.
Seperti laser tidak dapat dibangun hanya dengan menyelipkan di lapisan aktif, seperti sepotong keju di antara dua potong roti.Atom-atom dalam kristal semikonduktor disusun dalam bentukkisi , Dengan elektron-elektron membentuk ikatan kimia.Dalam rangka untuk menciptakan laser semikonduktor berlapis-lapis dengan ikatan antara atom-atom yang diperlukan, perangkat harus tumbuh sebagai unit tunggal, yang disebut kristal berlapis-lapis.
Lancar Arus Melalui Sebuah Semikonduktor Semikonduktor seperti silikon yang ditandai dengan memiliki empat elektron di kulit terluar atom mereka. Dalam setiap atom kristal semikonduktor membentuk ikatan pasangan elektron dengan empat atom lain. Masing-masing menyumbang sebuah elektron tambahan, sehingga total delapan elektron yang benar-benar mengisi kulit atom terluar. Dengan berbagi masing-masing dari empat elektron terluar dengan empat atom tetangga, setiap atom "mengisi" kulit terluarnya. Ini tidak meninggalkan elektron bebas untuk konduksi dalam semikonduktor murni. Beberapa konduksi terjadi karena elektron terluar tidak erat terikat pada atom dan mungkin dibebaskan oleh energi termal. Jadi semikonduktor murni memiliki hambatan listrik tinggi pada suhu rendah dan resistensi yang lebih rendah pada suhu tinggi. Konduktivitas listrik dari semikonduktor dapat ditingkatkan dengan menambahkan unsur-unsur doping, atau persentase kecil dari elemen pengotor, ke semikonduktor.Kehadiran jejak kecil elemen pengotor dapat menghasilkan pembawa muatan tambahan yang bebas untuk bergerak melalui materi. Dalam senyawa gallium arsenide, setiap atom galium memiliki tiga elektron di kulit terluar elektron dan masing-masing memiliki lima atom arsen. Ini memberikan rata-rata empat elektron per atom dalam senyawa. Ketika jejak unsur pengotor dengan dua elektron terluar, seperti seng, yang ditambahkan ke kristal, hasilnya adalah kekurangan satu elektron dari salah satu pasangan. Kekurangan ini mendirikan ketidakseimbangan di mana ada tempat dalam kristal untuk elektron tetapi tidak ada elektron yang tersedia.Hal ini biasa disebut "lubang." Ini membentuk yang disebut semikonduktor tipe-p di mana konduksi listrik adalah dengan gerakan lubang dari satu atom ke yang lain. Berikut p singkatan positif, karena lubang, atau kurangnya elektron, tampak seperti sebuah muatan positif tambahan. Ketika jejak unsur pengotor dengan enam elektron terluar, seperti selenium, ditambahkan ke kristal dari GaAs, memberikan pada elektron tambahan yang tidak diperlukan untuk ikatan. Elektron ini dapat bebas bergerak melalui kristal. Demikian, ia menyediakan sebuah mekanisme untuk konduktivitas listrik. Tipe ini disebut semikonduktor tipe-n, dimana n singkatan negatif karena pembawa listrik elektron bermuatan negatif. Ketika daerah tipe-p dan tipe-n yang tumbuh berdampingan di bahan semikonduktor hasilnya adalah pn junction. Di satu sisi persimpangan konduksi adalah dengan elektron, dan di sisi lain adalah dengan lubang positif. Alat seperti itu disebut dioda, dan memungkinkan aliran arus dalam satu arah. Ketika tegangan maju diterapkan pada persimpangan, yaitu sisi positif baterai dihubungkan ke sisi p-dan negatif ke sisi n-, kepadatan dari operator, baik tipe-p dan tipe-n, meningkatkan di sekitar persimpangan. Elektron pindah ke persimpangan dari sisi tipe-n, dan lubang pindah ke persimpangan dari sisi tipe-p. Karena lubang pada dasarnya adalah kurangnya elektron dalam sebuah ikatan, lubang dapat diisi dengan salah satu elektron tambahan. Ketika tegangan diterapkan ke persimpangan, pembawa muatan menjauh dari persimpangan untuk menciptakan daerah penipisan tanpa biaya operator. Jadi, hanya arus yang sangat kecil ketika diode adalah reverse bias. Emisi Cahaya Dioda Semikonduktor oleh Gambar 1 menunjukkan diagram tingkat energi dari sebuah dioda semikonduktor GaAs.Dalam bahan semikonduktor, elektron dapat memiliki energi dalam band tertentu.Dalam gambar daerah rendah disebut pita valensi dan mewakili keadaan energi dari elektron terikat. Daerah atas disebut pita konduksi dan mewakili keadaan energi dari elektron bebas atau konduksi. Elektron mungkin memiliki energi dalam salah satu dari band-band, tapi tidak dalam kesenjangan antara band.
Gambar. 1
Tingkat energi diagram dioda semikonduktor GaAs. Gambar 1a menunjukkan populasi relatif dari pita energi atau kedua sisi sambungan pn tanpa tegangan diterapkan pada dioda. Bahan tipe-n mengandung elektron yang berperilaku sebagai pembawa arus dalam pita konduksi nya, sedangkan material tipe-p memiliki lubang untuk operator di pita valensi nya. Ketika tegangan maju dioda diterapkan, tingkat energi yang menyebabkan pergeseran seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1b. Dengan kondisi tersebut ada peningkatan yang
signifikan dalam konsentrasi elektron pada pita konduksi dekat persimpangan di sisi n dan konsentrasi lubang di pita valensi dekat persimpangan di sisi p-. Elektron dan lubang bergabung kembali (konduksi elektron pita kosong pindah ke pita valensi negara) dan energi dilepaskan dalam bentuk foton. Energi dari foton yang dihasilkan dari rekombinasi ini adalah sama dengan yang berhubungan dengan celah energi. Energi ini sering dalam bentuk radiasi elektromagnetik. Dalam terangemitting diode (LED) ini energi cahaya ditransmisikan keluar melalui sisi wilayah persimpangan. Dalam laser semikonduktor persimpangan bentuk media yang aktif, dan ujung reflektif dari bahan laser memberikan umpan balik. Gallium-arsenat Laser Konstruksi Laser GaAs dibuat dari ingot kristal galium arsenide yang dipasang pada pelat gelas dengan lilin dan potong menjadi irisan, biasanya sekitar 0,5 mm tebal. Setelah slice terbentuk, persimpangan ini disiapkan oleh kotoran menyebarkan dalam dari permukaan. Jadi, jika ingot asli tipe-n, pengotor tipe-p (misalnya, seng) adalah menyebar masuk difusi dilakukan dengan menyegel slice gallium arsenide menjadi ampul dievakuasi, bersama dengan jumlah ditimbang seng. Ampul tersebut kemudian dipanaskan dalam tungku. Seng berdifusi uap jarak dekat (beberapa mikron) ke permukaan irisan dan membentuk pn junction. Slice kemudian dipotong atau dibelah menjadi blok dengan ukuran yang cocok untuk membentuk laser individu. Blok-blok kecil dan rapuh dan dipasang oleh mengapit mereka antara dua emas-berpakaian disk logam. Dimensi khas blok adalah dari urutan satu atau dua milimeter. Memancarkan cahaya-daerah-yang adalah persimpangan-dari mana radiasi berasal, adalah lapisan tipis hanya beberapa mikron tebal. Para dioda laser selesai kemudian melekat pada heat sink tembaga di satu sisi dan kontak listrik kecil di sisi lain. Dasar Semikonduktor Laser Desain Gambar 2 adalah diagram yang paling sederhana (dan awal) jenis laser gallium arsenide.Laser adalah sepotong batu bata berbentuk Gaas disiapkan dengan proses yang diuraikan di atas. Gaas memotong dengan mudah di sepanjang bidang kristal tertentu, meninggalkan permukaan paralel datar.
Gambar. 2
Dioda laser gallium arsenide. Biasanya, cermin untuk umpan balik dan kopling output dibentuk oleh ujung dibelah dari dioda laser, dengan tidak ada lapisan lebih lanjut. Reflektifitas pada antarmuka antara arsenide galium dan udara adalah sekitar 36%. Jika output yang diinginkan dari hanya satu ujung perangkat, atau jika cermin dari reflektifitas yang lebih tinggi diinginkan untuk mengurangi ambang batas untuk operasi laser, reflektivitas dapat ditingkatkan dengan cara melapisi permukaan dengan film logam. Gelombang berdiri optik mungkin ada di antara setiap dua permukaan paralel dioda. Dua sisi yang sengaja kasar untuk mengurangi refleksi dan mencegah penguat "di" rongga dioda. Output daya yang tersedia dari laser ini dibatasi oleh gain loop tersedia dalam rongga laser. Gain penguat dari media aktif tergantung pada kerapatan arus yang melalui persimpangan. Arus yang lebih tinggi menghasilkan tenaga lebih besar, tetapi arus yang lebih tinggi juga meningkatkan efek pemanasan yang dapat merusak perangkat. Rugi dalam rongga laser memiliki dua kontributor utama. Yang pertama adalah hilangnya difraksi. Daerah aktif memiliki lebar hanya sekitar mikron. Jadi, cahaya divergen cepat keluar dari daerah aktif. Kerugian ini dapat dikurangi dengan membuat persimpangan lebih luas dan lebih baik membatasi cahaya ke daerah aktif. Faktor kedua adalah hilangnya penyerapan sinar laser oleh operator bebas di wilayah persimpangan.Kerugian ini dapat dikurangi dengan mengurangi jumlah pembawa bebas. Penurunan ini dilakukan dengan menurunkan suhu perangkat. Laser hetero Desain Laser hetero adalah dioda laser GaAs dengan desain persimpangan lanjutan untuk mengurangi kerugian difraksi dalam rongga optik. Hal ini dilakukan dengan modifikasi dari bahan laser untuk mengontrol indeks bias rongga dan lebar dari junction.
Persimpangan pn dari laser GaAs dasar yang dijelaskan di atas disebut homojunction karena hanya satu jenis bahan semikonduktor yang digunakan dalam persimpangan dengan dopan yang berbeda untuk menghasilkan persimpangan itu sendiri. Indeks bias bahan bergantung pada pengotor yang digunakan dan tingkat doping. Gambar 3a menunjukkan variasi indeks bias di seperti persimpangan. Wilayah persimpangan sebenarnya ringan doped dengan bahan tipe-p dan memiliki indeks bias tertinggi. Bahan tipe-n dan bahan tipe-p lebih berat doped kedua memiliki indeks bias lebih rendah. Ini menghasilkan efek pipa cahaya yang membantu untuk membatasi sinar laser ke wilayah persimpangan aktif. Dalam homojunction, bagaimanapun, perbedaan indeks rendah dan cahaya banyak yang hilang. Gambar 3b menunjukkan hetero-arsenide gallium aluminium gallium arsenide. Sebuah fraksi dari galium dalam lapisan tipe-p telah digantikan oleh aluminium. Hal ini mengurangi indeks bias lapisan ini dan hasil dalam kurungan yang lebih baik dari sinar laser ke rongga optik.
Gambar. 3b Struktur dan indeks bias n untuk berbagai je nis sambungan dalam gallium arsenide dengan lebar persimpangan d. (A) adalah untuk homojunction suatu. (B) adalah untuk hetero-arsenide gallium arsenide gallium aluminium tunggal. (C) adalah
untuk arsenide gallium arsenide-aluminium hetero ganda dengan kurungan op tik ditingkatkan. (D) untuk hetero ganda dengan rongga optik besar
galium
dengan lebar w.
Sebuah perbaikan lebih lanjut ditunjukkan pada Gambar 3c. Dalam hal ini, hanya wilayah persimpangan terdiri dari gallium arsenide. Baik daerah p dan n adalah aluminium gallium arsenide. Hasilnya adalah kekangan yang lebih baik dari gelombang berdiri optik pada kedua sisi rongga optik. Kurungan Hal ini sangat mengurangi kehilangan optik, tetapi juga menyebabkan dua kesulitan tambahan. Radiasi optik dalam rongga begitu baik terbatas bahwa radiasi di permukaan dioda optik dengan mudah dapat mencapai ambang kerusakan, meningkatkan kemungkinan bencana kegagalan.Pengurungan ketat balok juga mengurangi lebar efektif aperture output dari laser. Hal ini meningkatkan sudut divergensi dalam arah tegak lurus ke persimpangan. Kesulitan-kesulitan ini diatasi dengan pengembangan lebih lanjut ditunjukkan pada Gambar 3d. Perangkat ini disebut besaroptik-rongga (LOC) laser dan menggunakan daerah arsenide gallium aluminium dari berbagai komposisi. Daerah aktif terdiri dari lapisan GaAs di pusat struktur. Gain tinggi dan lebih rendah-saat operasi adalah dicapai dengan membatasi pembawa muatan ke daerah yang lebih kecil. Lebar khas daerah ini adalah 0,1-1,0 mikron. Rongga optik sistem adalah lebar w diagram dan biasanya beberapa mikron. Ini mengurangi hilangnya difraksi sistem. Setiap kemajuan yang dijelaskan telah menurunkan ambang operasi laser GaAs. Tabel 1 daftar kepadatan saat ini khas yang diperlukan untuk mencapai ambang penguat dari berbagai jenis persimpangan. Tabel 1. Ambang Operasi Laser Gaas pada ° K.
Kepadatan
Homojunction 40.000 Sebuah cm / Tunggal hetero 10.000
Khas
saat
ini
untuk
Hetero ganda 1.300 Hetero ganda, rongga optik besar 600 Stripe Geometri
Dalam laser ditunjukkan pada Gambar 2, elektroda atas meliputi permukaan atas seluruh bahan tipe-p. Hal ini memungkinkan arus melintasi lebar penuh dari dioda, yang biasanya beberapa ratus mikron. Kerapatan arus, dan dengan demikian mendapatkan, dapat sangat meningkat jika aliran arus terbatas pada jalur sempit persimpangan. Ini tidak sangat mengurangi arus maksimum yang dapat digunakan, sebagai pembatasan saat ini adalah efek pemanasan dalam materi. Gambar 4 menunjukkan penampang dioda besar-optik-rongga laser hetero dengan geometri garis untuk persalinan saat ini. Sambungan dioda dibangun dengan cara biasa.Sebuah lapisan bahan silikon dioksida isolasi ini kemudian disimpan di bagian atas dari dioda, kecuali untuk strip sekitar 13 mikron lebar di tengah-tengah dioda. Elektroda logam kemudian diterapkan. Hasilnya adalah dioda laser di mana saat ini terbatas pada satu baris sepanjang laser.
Gambar. 4
Konfigurasi garis geometri hetero semikonduktor laser. Karakteristik keluaran Laser Gaas
Gallium arsenide laser yang berbeda dari kebanyakan jenis laser lain dalam sifat mereka.Mereka memiliki beberapa sifat yang biasanya dikaitkan dengan laser. Dimensi kecil dari persimpangan adalah cahaya yang dihasilkan mengarah ke lebar balok beberapa derajat. Ini jauh lebih besar daripada balok sempit laser gas khas atau laser kristal. Lebar spektral radiasi dari gallium arsenide laser biasanya sekitar dua atau tiga nanometer, jauh lebih besar dari lebar spektral laser paling lainnya. Oleh karena itu, laser gallium arsenide dapat dianggap sebagai sumber area kecil yang cerah radiasi.Meskipun laser gallium arsenide tidak memiliki sifat-sifat directionality dan monochromaticity ke tingkat yang sama seperti laser lainnya, mereka memiliki sifat-sifat penting yang membuat mereka menarik untuk beberapa aplikasi praktis. Mereka dengan mudah dapat dimodulasi pada frekuensi tinggi oleh modulasi arus yang melalui persimpangan. Mereka efisien, kecil, dan kasar, dan jauh lebih murah daripada jenis lainnya laser. Suhu Ketergantungan Laser Output Ambang saat ini penguat dalam Gaas sangat bergantung pada temperatur, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Pada suhu rendah (sampai sekitar 30 K) ambang batas cukup konstan. Di atas ° K, kepadatan arus ambang batas untuk operasi laser meningkat pesat dengan meningkatnya suhu. Pada suhu kriogenik dari 77 K, saat ini di ambang laser gallium arsenide adalah sekitar sepersepuluh yang dari nilai suhu kamar. Ini berarti bahwa pendinginan ke suhu cryogenic perubahan karakteristik operasi laser.
Gambar. 5
Suhu ketergantungan arus ambang batas. Gallium arsenide laser memancarkan radiasi di bagian inframerah dekat dari spektrum.Panjang gelombang yang tepat tergantung pada suhu di mana laser dioperasikan. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 6 yang memberikan panjang gelombang laser gallium arsenide sebagai fungsi temperatur. Pada suhu di atas suhu kamar, ambang batas untuk operasi laser naik dan menjadi sulit untuk mengoperasikan laser. Namun, laser gallium arsenide telah dioperasikan selama rentang suhu dari suhu helium cair sampai suhu kamar.
Gambar. 6
Ketergantungan terhadap temperatur dari penguat panjang gelombang. Panjang gelombang di mana laser memancarkan sangat dipengaruhi oleh suhu operasi.Namun, faktor lain juga dapat memiliki pengaruh. Faktor-faktor ini termasuk sifat yang tepat dan konsentrasi unsur-unsur doping yang digunakan dalam gallium arsenide, arus mengemudi, dan adanya medan magnet. Jadi, untuk laser tertentu, panjang gelombang emisi dapat bervariasi dari yang ditunjukkan pada Gambar 6. Tabel 2 daftar sifat-sifat khas laser GaAs. Tabel 2. Sifat Khas Laser Gaas. Cyrogenic Suhu
Kamar Suhu
Panjang gelombang
8450 Å
9050 Å
Ambang saat ini
Sebuah
7A
Operasi saat ini
4A
25 A
Durasi pulsa
1 sec
200 sec
Puncak kekuasaan berdenyut
2,5 W
6W
Siklus
2%
0,1%
Efisiensi daya
40%
4%
Temporal Karakteristik
Gallium arsenide laser biasanya dioperasikan berdenyut, dengan siklus yang relatif rendah, dari urutan 1% atau kurang. Durasi pulsa biasanya sekitar 100 nsec untuk suhu kamar dan hingga 1 detik untuk suhu kriogenik. Hal ini karena arus yang melalui persimpangan memanaskan dioda, yang pada gilirannya menyebabkan karakteristik operasi memburuk. Oleh karena itu, operasi berdenyut adalah operasi yang paling umum. Namun, laser gallium arsenide telah dioperasikan terus menerus, baik pada suhu nitrogen cair dan pada suhu kamar. Satu laser tersebut beroperasi pada suhu kamar dengan 5mW daya output pada 820 nm dengan ambang saat ini di bawah 300 mA. Karakteristik spektral Operasi laser gallium arsenide ditandai oleh arus ambang batas. Gambar 7 menunjukkan kekuatan puncak berdenyut laser GaAs khas sebagai fungsi dari input arus puncak.Ambang saat ini dioda ini adalah sekitar 10 ampere. Ketika arus yang
melalui perangkat relatif rendah, spektrum yang luas dari emisi spontan dengan bandwidth sekitar 100 nanometer diamati. Ketika arus yang melalui persimpangan meningkat emisi terstimulasi akan dimulai ketika keuntungan optik melebihi kerugian. Kepadatan arus ambang batas akan tergantung pada suhu, pada kerugian penyerapan dalam materi, pada reflektifitas permukaan dioda, dan pada doping material.
Gambar. 7
Puncak daya output dari dioda laser sebagai fungsi dari puncak arus masukan. Ketika kepadatan arus ambang batas terlampaui, spektrum emisi menyempit secara dramatis dan intensitas emisi meningkat jauh. Gambar 8 menunjukkan spektrum emisi dioda laser bawah ini dan juga di atas ambang batas. Pada arus yang lebih tinggi linewidth dari output laser menurun. Lebar pita spektral diwakili oleh emisi spontan jauh lebih besar daripada emisi terstimulasi. Namun, emisi terstimulasi yang dihasilkan oleh laser masih jauh lebih luas daripada gas konvensional dan laser kristal. Ini adalah urutan dua atau tiga nanometer, dibandingkan dengan lebar spektral yang khas sekitar 10 - nanometer untuk laser HeNe. Spektrum emisi relatif kompleks dan biasanya mengandung sejumlah mode longitudinal rongga optik. Jarak antara mode longitudinal yang relatif besar, karena panjang pendek dari rongga optik. Namun, lebar spektral yang relatif besar dari laser GaAs memungkinkan beberapa mode untuk hadir.
Gambar. 8
Spektrum keluaran laser gallium arsenide pada kepadatan berbagai masukan saat ini untuk terus beroperasi dari perangkat hetero ganda pada suhu kriogenik. Karakteristik spasial
Salah satu karakteristik paling penting dari laser gas perbedaan yang sangat kecil dari radiasi yang dipancarkan. Karakteristik ini tidak dimiliki oleh laser semikonduktor.Alasan utama adalah bahwa cahaya yang dipancarkan melalui aperture didefinisikan oleh persimpangan kecil. Difraksi melalui dimensi sempit persimpangan menyebabkan balok menyebar ke sudut yang lebih luas daripada yang diamati dengan jenis lain laser.Gambar 9 menggambarkan perbedaan sinar laser GaAs khas. Emisi dari gallium arsenide laser cenderung menjadi balok elips dengan sudut divergensi penuh sekitar 20 dalam arah tegak lurus ke persimpangan dan sekitar ° dalam arah sejajar dengan persimpangan. Sudut ini dapat bervariasi dengan laser individu.
Gambar. 9
Beam profil dari laser geometri arsenide galium stripe hetero. Laser Seumur Hidup Dua jenis mekanisme kegagalan telah diidentifikasi di laser gallium arsenide. Salah satunya adalah bencana penurunan dalam output daya. Ini kerusakan bencana mungkin terjadi dalam sebuah pulsa tunggal laser, dan berhubungan dengan kerusakan permukaan akhir laser. Kerusakan yang dihasilkan oleh output cahaya dari laser itu sendiri. Retak kecil atau alur di persimpangan diproduksi. Untuk menghindari hal ini jenis kerusakan, daya keluaran laser puncak harus dibatasi. Untuk jangka waktu yang pulsa sekitar 100 nanodetik, output daya harus dibatasi tidak lebih dari sekitar 400 watt per cm panjang persimpangan. Untuk jangka waktu yang pulsa lagi, daya puncak harus dikurangi lebih lanjut. Ada juga meningkat secara bertahap dalam kekuasaan, yang dimanifestasikan oleh arus ambang meningkat. Kerusakan ini dihasilkan oleh arus yang mengalir melalui persimpangan. Ini adalah fenomena yang kompleks yang rumit oleh variasi acak dalam kehidupan laser. Beberapa laser telah berulang-ulang berdenyut pada 8000 pulsa / detik untuk periode ratusan jam. Laser serupa lain menunjukkan penurunan ditandai dalam output mereka setelah hanya 100 jam operasi. Untuk memperpanjang umur dari dioda laser, kerapatan arus yang melalui persimpangan harus dibatasi. Operasi pada suhu kriogenik, dimana kerapatan arus berkurang karena arus ambang berkurang, memberikan operasi yang aman pada putaran tinggi tugas. Kepadatan saat ini harus dibatasi untuk nilai kurang dari sekitar 6500 amper / c m di persimpangan. Aplikasi Laser Gaas Potensi aplikasi laser gallium arsenide didefinisikan oleh sifat dari jenis laser. Gallium arsenide laser yang berbeda dari jenis lain laser. Secara khusus, mereka tidak berbagi sudut divergensi berkas sempit dan lebar garis spektral sempit yang biasanya berhubungan dengan laser. Karena fakta ini, aplikasi laser gallium arsenide agak terbatas. Mereka tidak dapat digunakan dengan baik untuk penyelarasan karena divergensi balok besar. Mereka tidak dapat digunakan dengan baik untuk aplikasi interferometric karena lebar spektral yang besar. Namun, sifat lain dari ukuran kecil, ringan, konsumsi daya rendah, dan efisiensi yang tinggi adalah karakteristik penting. Mereka berarti bahwa gallium arsenide laser dapat dipertimbangkan untuk aplikasi di lapangan, jauh dari sumber cahaya listrik. Dua aplikasi seperti yang menyarankan sendiri menemukan dan berbagai komunikasi. Kedua aplikasi ini mengambil keuntungan dari fakta bahwa laser gallium arsenide dapat dimodulasi pada frekuensi tinggi melalui catu daya. Di mulai, pulsa optik singkat adalah mengirim keluar dan kembali dari permukaan mencerminkan diterima kembali di posisi yang sama seperti laser. Waktu transit round-trip diukur. Sebuah jam dimulai saat pulsa laser asli keluar. Ketika pulsa kembali diterima dari reflektor terpencil, jam dihentikan. Karena kecepatan cahaya diketahui, waktu transit yang telah berlalu menghasilkan pengukuran jarak. Untuk tujuan survei, target koperasi seperti cermin yang memantulkan dapat digunakan. Aplikasi mulai menggunakan laser mengambil keuntungan dari sinar laser tinggi dibandingkan dengan sumber cahaya lain. Cahaya yang tinggi diperlukan untuk memberikan sinyal besar kembali pada posisi detektor. Ini menghasilkan rasio signal-to-noise tinggi, sehingga untuk memberikan presisi tinggi dalam pengukuran pulsa. Sistem mulai komersial yang menggunakan laser gallium arsenide menjadi tersedia. Sederhana sistem komunikasi portabel yang menggunakan gallium arsenide laser telah dikembangkan. Aplikasi ini mengambil keuntungan khusus dari modulasi relatif mudah dari gallium arsenide laser melalui berbagai arus. Tingkat pengulangan pulsa urutan megahertz mudah diperoleh dengan pasokan listrik berdenyut. Jenis lain Laser Semikonduktor Selain laser gallium arsenide, berbagai laser semikonduktor lainnya telah dikembangkan. Sebagian besar laser dalam pengembangan laboratorium dan belum mencapai status komersial. Tabel 3 memberikan beberapa bahan laser semikonduktor lainnya, dan panjang gelombang operasi mereka. Mereka yang ditunjukkan oleh huruf I yang dipompa
melalui suntikan, yang merupakan aliran arus searah yang dijelaskan dalam modul ini untuk laser GaAs. Yang diindikasikan oleh huruf E dipompa oleh sinar elektron. Dalam hal ini, bahan semikonduktor sangat tertarik oleh sinar energi tinggi elektron. Tabel 3. Laser Semikonduktor Bahan.
Materi
Panjang gelombang (pM)
Jenis * Eksitasi
ZnS
0.33
E
ZnO
0.37
E
ZnSe
0.46
E
CdS
0.49
E
ZnTe
0.53
E
GaSe
0.59
E
CdSe
0.675
E
CdTe
0.785
E
Gaas
0.84-0.95
Aku, E
InP
0.91
Saya
GaSb
1.55
Aku, E
InAs
3.1
Aku, E
Te
3.72
E
PbS
4.3
Aku, E
InSb
5.2
Aku, E
PbTe
6.5
Aku, E
PbSe
8.5
Aku, E
*I = injection. E = electron beam. Campuran dari beberapa bahan-bahan ini telah dibentuk untuk memungkinkan operasi pada panjang gelombang apapun dalam kisaran seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10. Sebagai contoh, campuran indium dan arsenide gallium arsenide dapat dibuat. Laser dinotasikan dengan (Inga) As dan dapat dibangun untuk beroperasi di mana saja di kisaran panjang gelombang dari 0,84 sampai 3.1 Hal ini dilakukan dengan memvariasikan rasio gallium indium dan dalam bahan laser. Jadi, panjang gelombang operasi dapat bervariasi atas berbagai komposisi dengan memvariasikan. Tentu saja, setelah ransum dipilih dan panjang gelombang tertentu dipilih, bahwa laser dioda akan beroperasi hanya pada panjang gelombang yang dipilih. Untuk beroperasi pada panjang gelombang yang berbeda, dioda laser yang berbeda harus siap dengan rasio bahan yang berbeda. Dalam cara ini, laser telah disiapkan untuk menutupi bagian merah dan inframerah seluruh spektrum ,64-28 mikron.
Gambar. 10 Rentang panjang gelombang yang ditutupi oleh sejumlah laser semikonduktor komposisi campuran. Ringkasan
Media aktif dari laser semikonduktor adalah daerah persimpangan antara bahan tipe-p dan bahan tipe-n. Sinar laser adalah hasil dari emisi terstimulasi yang dihasilkan oleh elektron melepaskan energi mereka melalui kombinasi dengan lubang di wilayah persimpangan. Eksitasi paling sering disediakan oleh aliran arus (injeksi) melalui persimpangan, meskipun berkas elektron dapat digunakan dalam beberapa kasus khusus. Mekanisme umpan balik (rongga) biasanya terdiri dari ujung membelah dioda. Dioda laser biasanya memancarkan pulsa dengan durasi sekitar 100 nsec ketika dioperasikan pada suhu kamar, meskipun CW dioda laser dapat dibangun. Siklus biasanya rendah, biasanya kurang dari satu persen, dan sudut divergensi berkas tinggi dalam arah tegak lurus ke persimpangan menghasilkan elips balok output. Laser semikonduktor yang paling sering digunakan dalam jangkauan pencari dan komunikasi laser.
Semikonduktor Laser Osilator laser. Sama seperti osilator elektronik, amplifikasi dan umpan balik positif yang diperlukan untuk membuat kerja laser. Penguat dalam laser adalah media keuntungan. Via listrik injeksi saat ini, eksitasi plasma, atau memompa dengan laser lain, energi akan disimpan dalam keuntungan media. Hal ini diubah menjadi cahaya melalui generasi foton. Dua mekanisme bermain peran penting, yaitu emisi, spontan dan emisi terstimulasi. Yang pertama adalah energi alam proses pembusukan. Ini memulai membangun laser. Hal ini juga menentukan tingkat kebisingan ketika laser adalah kondisi mapan. Kemudian, bagaimanapun, memberikan kontribusi untuk karakteristik laser. Dalam proses emisi terstimulasi, foton yang ada bepergian dalam rongga laser merangsang keuntungan media untuk menghasilkan lebih di-fase foton. Ini memonopoli ekstraksi energi dari medium gain dan mengarah ke koherensi tinggi, yaitu, linewidth spektral sempit. Dalam kasus ekstrim, laser dapat berjalan dengan linewidth dari 1 Hz, yaitu, Accuray spektral dari 10 -14 . Umpan balik disediakan oleh sepasang cermin sangat hati-hati selaras. Cahaya memantul kembali dan sebagainya di antara mereka saat bepergian melalui media keuntungan. Tergantung pada cermin reflektifitas, sebagian dari cahaya dipantulkan kembali ke rongga. Cahaya melewati cermin menjadi output. Osilasi dimulai ketika hilangnya round trip sepenuhnya dikompensasi oleh keuntungan. Jika gain rendah, reflektifitas cermin harus tinggi. Jika gain tinggi, bagaimanapun, reflektifitas cermin bisa sangat rendah untuk memulai laser. Dalam hal laser semikonduktor, cermin dibentuk oleh membelah. Mereka berbaris sesuai dengan pesawat membelah kristal alami. Reflektifitas ditentukan oleh perubahan indeks
antara medium gain dan udara. Karena indeks dari media keuntungan semikonduktor sekitar 3,4-3,6, reflektivitas adalah 30%. Distribusi Indeks sepanjang arah melintang dari media keuntungan dan kelengkungan serta ukuran cermin menentukan profil melintang dari output balok. Sebuah aperture kecil dapat dibuat atau dimasukkan ke dalam rongga untuk menghilangkan tinggi Untuk mode melintang. Dengan mode melintang terkontrol dengan baik, sinar laser memiliki baik spasial koherensi. Balok mungkin memiliki sudut divergensi medan jauh kurang dari satu mili-radian setelah collimination. Sinar yang sangat terarah dapat digabungkan efisien menjadi serat optik. Kemurnian spektral tinggi dan directionality adalah kebajikan laser. Dalam arah longitudinal, panjang gelombang osilasi ditentukan oleh panjang rongga. Setelah satu round-trip, fase sinar optik harus sesuai dengan mulai fase, yaitu, multiple integer dari panjang gelombang harus sesuai dengan 2L, di mana L adalah panjang rongga. Ada banyak bilangan bulat yang dapat memenuhi persamaan di atas. Jarak antara modus yang berdekatan adalah urutan 0,5 nm dan 0,9 nm pada 800 nm dan 1300-1550 nm, masing-masing. Secara umum, mode membujur beberapa mungkin berosilasi secara bersamaan. Para Laser menjadi laser multi-mode. Tentu saja, untuk jangka panjang komunikasi optik sistem, kita perlu laser dengan kemurnian spektral yang sangat tinggi. Oleh karena itu, laser dengan satu modus longitudinal yang jauh lebih diinginkan. Keuntungan dalam semikonduktor disediakan oleh elektron pada pita konduksi dan lubang di band kelambu. Mereka hadir di wilayah persimpangan di bawah arus listrik injeksi. Arus memompa mempertahankan dua kuasi-Fermi tingkat, satu untuk elektron dan satu untuk lubang. Sebuah elektron dan lubang bisa bergabung kembali untuk menghasilkan sebuah foton melalui radiasi rekombinasi. Energi dari foton adalah sebanding dengan celah pita elektronik. Atau, mereka mungkin bergabung kembali dan melepaskan energi sebagai panas melalui radiasi non-rekombinasi proses, seperti rekombinasi Auger. Keuntungan dalam media semikonduktor biasanya adalah broadband, yaitu, lebih dari 50-100 nm. Mode dekat pusat pengalaman keuntungan yang lebih tinggi, Oleh karena itu, akan berosilasi. Mode di sayap tidak memiliki kesempatan karena penguat mode jauh lebih efisien dalam mengekstraksi energi melalui emisi dirangsang. Panjang gelombang-ketergantungan gain dapat dihitung dari kepadatan negara, probabilitas dari tingkat yang diduduki, dan probabilitas transisi. Transisi probabilitas lebih tinggi jika konduksi dan pita valensi yang berbaris dalam momentum ruang. Bahan tersebut memiliki bandgaps energi langsung, misalnya, GaAs dan InP. Pada sisi lain, Si memiliki celah pita tak langsung, oleh karena itu, tidak efisien dalam menghasilkan cahaya. Para jumlah injeksi saat ini juga memainkan peran. Semakin tinggi tingkat memompa, semakin elektron yang hadir dalam pita konduksi mengisi negara lebih banyak energi. Oleh karena itu, meningkatkan tingkat memompa mungkin pergeseran panjang gelombang lebih pendek penguat menuju panjang gelombang, yaitu, pergeseran biru. Untuk membuat laser semikonduktor, pertumbuhan berlapis kristal film tipis, yaitu, epitaksi adalah diperlukan. Biasanya substrat dengan struktur kisi cocok digunakan. Lapisan yang berbeda komposisi tumbuh di atas substrat. Dengan memvariasikan komposisi bahan, satu dapat mengontrol sifat elektronik serta optik. Tujuannya adalah untuk membentuk suatu energi baik untuk accumate elektron dan lubang dan Waveguide dielektrik untuk berkonsentrasi foton. Dengan interaksi yang kuat antara operator dan foton, laser menjadi sangat efisien. Efisiensi konversi dapat setinggi 80-90%. Sejak persimpangan pn melibatkan beberapa lapisan bahan yang berbeda, itu disebut sebuah heterostructure. Konsep ini awalnya dikembangkan untuk perangkat elektronik novel. Pada tahun 1970, diperkenalkan dalam membuat semikonduktor laser. Ini mengakibatkan temperatur ruang operasi dan akhirnya ke rendah ambang batas, seumur hidup panjang laser semikonduktor. Struktur berlapis dapat diwujudkan dengan epitaksi dikendalikan sepanjang arah pertumbuhan. Sepanjang arah melintang, etsa, pertumbuhan kembali, pertumbuhan pada permukaan non-planar diperlukan untuk menentukan lebar dari laser stripe. Berbagai struktur muncul, seperti heterostructure dikuburkan, V-groove, ridge struktur, dll Karakteristik yang paling penting dari laser semikonduktor adalah output cahaya dibandingkan saat kurva. Di bawah kontrol komputer, saat ini dapat menggenjot produksinya sementara detektor catatan output daya. Kurva LI menunjukkan arus ambang batas. Bawah ambang batas ada sedikit cahaya. Di atas ambang batas, output cahaya menjadi sangat efisien. Para kemiringan di atas ambang batas ini terkait dengan efisiensi kuantum diferensial: Kekuatan hilang diberikan oleh produk dari arus dan tegangan persimpangan yang biasanya dalam kisaran 1,5-2 V. Di bawah ambang batas, daya listrik diubah
sebagian besar untuk panas. Di atas ambang pintu, listrik untuk efisiensi daya konversi optik dapat 80-90%. Kurva LI mungkin memiliki Kinks dan kemiringan menurun pada saat ini tinggi. Nonlinier Batas-batas kinerja analog sistem komunikasi optik, seperti sebagai CATV dan Remoting antena. Ambang batas dapat dipahami dengan menelusuri evolusi paket foton. Tumbuh eksponensial dalam medium gain dan pengalaman koefisien refleksi R pada setiap cermin. Oleh karena itu, kita dengan mudah dapat memperoleh keuntungan yang diperlukan: Keuntungan ambang batas harus mengkompensasi hilangnya internal serta didistribusikan setara hilangnya cermin. Profil mode dapat dipantau oleh kamera. Kamera ini berfokus baik pada output (Dekat lapangan) atau pada fokus lensa (jauh lapangan). Untuk laser dengan mode melintang tunggal, profil akan menunjukkan puncak tunggal. Laser dengan lebih dari satu mode melintang mungkin menunjukkan beberapa puncak. Dengan benar merancang Waveguide optik, yaitu, mengurangi lebar garis, laser tunggal mode melintang telah direalisasikan. Karakteristik spektral laser dapat diukur menggunakan monokromator atau spektrometer. Sebuah kisi diputar untuk memindai panjang gelombang. Sebuah resolusi urutan Å sampai 0,01 Å dapat diperoleh. Hal ini cukup untuk menyelesaikan mode longitudinal dan denda struktur dari setiap baris karena berkicau. Namun untuk melihat linewidth utama, seseorang harus menggunakan salah sebuah interferometer Fabry-Perot atau teknik heterodyne tertunda. Sebuah interferometer Fabry-Perot tidak lebih dari dua mirros juga sejalan dengan sangat reflektifitas tinggi. Sinar laser menembus cermin pertama dan tercermin oleh kedua cermin. Sebagai wavefront tercermin mencapai cermin pertama, dikombinasikan dengan laser balok melewati cermin pertama. Tergantung pada tahap gangguan dapat konstruktif atau kehancuran. Dengan memindai pemisahan cermin, serangkaian puncak akan muncul. Resolusi ditentukan oleh reflektifitas cermin dan pemisahan antara ke mirror. Sebuah Fabry-Perot dapat dengan mudah menyelesaikan linewidth turun ke MHz. Atau, seseorang dapat mengatur percobaan swa-heterodyne tertunda. Menggunakan serat optik, dengan mudah dapat menunda sebuah balok optik hingga mikrodetik tanpa melibatkan kehilangan banyak. Para balok tertunda mengganggu output dari laser. Jika panjang gelombang penguat atau berfluktuasi frekuensi, mengalahkan menghasilkan puncak diperluas. Menggunakan pendekatan ini, linewidth di wilayah kHz dapat ditentukan. Laser semikonduktor berperilaku berbeda dari laser konvensional. Linewidth ini berkurang sebagai output meningkat, bagaimanapun, tidak mendekati nol bahkan pada output yang tinggi kekuasaan. Linewidth sisa menyimpang dari hubungan linear terbalik. Para 5-10 R L g
Dalam 1 + = Α MHz residual dengan telah dijelaskan oleh Dr CH Henry sebagai fluktuasi indeks disebabkan oleh fluktuasi pembawa. Linewidth dari laser ditambah dengan dispersi serat membatasi data rate juga sebagai jumlah saluran yang dapat multiplexing bersama dalam serat. Pada 1550 nm, serat memiliki dispersi dari 17 psec / km-nm. Pertanyaan: Untuk link 100-km, jika laser memiliki linewidth dari 0,1 nm, apa yang maksimum data rate? Bagaimana sekitar 10 nm? Meskipun sistem yang koheren dapat memberikan kapasitas informasi utama, panjang gelombang division multiplexing merupakan trend saat ini terutama karena ketersediaan perangkat. Ada beberapa faktor yang berkontribusi terhadap drift panjang gelombang. Efek suhu 0,5 nm / o C untuk laser semikonduktor dibelah dan 0,05 nm / o C untuk laser dengan build-in kisi-kisi. Arus injeksi juga berkontribusi pada drift panjang gelombang melalui mengisi band. Sebuah stabilitas suhu 10 m o C dan stabilitas arus 0,01 mA yang diperlukan untuk
stabil laser semidonductor
