Parametri, principi e applicazioni dei diodi laser

Il principio di funzionamento dei diodi laser a semiconduttore è teoricamente lo stesso dei laser a gas.
Il diodo laser è essenzialmente un diodo a semiconduttore. A seconda che il materiale della giunzione PN sia lo stesso, il diodo laser può essere suddiviso in diodi laser a omogiunzione, a singola eterogiunzione (SH), a doppia eterogiunzione (DH) e a pozzo quantico (QW). I diodi laser a pozzo quantico presentano i vantaggi di una corrente di soglia bassa e di un'elevata potenza di uscita e sono attualmente i prodotti principali sul mercato. Rispetto ai laser, i diodi laser presentano i vantaggi di alta efficienza, dimensioni ridotte e lunga durata. Tuttavia, la loro potenza di uscita è ridotta (generalmente inferiore a 2 mW), la scarsa linearità e la monocromaticità non sono molto buone, il che ne limita l'applicazione nei sistemi TV via cavo. Molto limitato, non può trasmettere segnali analogici multicanale ad alte prestazioni. Nel modulo di backhaul di un ricevitore ottico bidirezionale, i diodi laser a pozzo quantico vengono generalmente utilizzati come sorgenti luminose per la trasmissione uplink.

Essenza del diodo laser
Il diodo laser è essenzialmente un diodo a semiconduttore. A seconda che il materiale della giunzione PN sia lo stesso, il diodo laser può essere suddiviso in diodi laser a omogiunzione, a singola eterogiunzione (SH), a doppia eterogiunzione (DH) e a pozzo quantico (QW). I diodi laser a pozzo quantico presentano i vantaggi di una corrente di soglia bassa e di un'elevata potenza di uscita e sono attualmente i prodotti principali sul mercato. Rispetto ai laser, i diodi laser presentano i vantaggi di alta efficienza, dimensioni ridotte e lunga durata. Tuttavia, la loro potenza di uscita è ridotta (generalmente inferiore a 2 mW), la scarsa linearità e la monocromaticità non sono molto buone, il che ne limita l'applicazione nei sistemi TV via cavo. Molto limitato, non può trasmettere segnali analogici multicanale ad alte prestazioni. Nel modulo di backhaul di un ricevitore ottico bidirezionale, i diodi laser a pozzo quantico vengono generalmente utilizzati come sorgenti luminose per la trasmissione uplink.

La struttura di base di un diodo laser a semiconduttore è quella mostrata in figura. Una coppia di piani paralleli perpendicolari alla giunzione PN forma una cavità risonante di Fabry-Perot. Possono essere piani di clivaggio del cristallo semiconduttore o piani lucidati. I restanti due lati sono relativamente ruvidi per eliminare l'effetto laser in altre direzioni tranne quella principale.

Nel funzionamento specifico, la giunzione PN del diodo laser è formata da due strati di arseniuro di gallio drogati. Ha due strutture a estremità piatte, una specchiata parallela all'estremità (una superficie altamente riflettente) e una parzialmente riflettente. La lunghezza d'onda della luce da emettere è esattamente correlata alla lunghezza del giunto. Quando una giunzione PN viene polarizzata direttamente da una sorgente di tensione esterna, gli elettroni si muovono attraverso la giunzione e si ricombinano come un normale diodo. Quando gli elettroni si ricombinano con le lacune, vengono rilasciati fotoni. Questi fotoni colpiscono gli atomi, provocando il rilascio di più fotoni. All’aumentare della corrente di polarizzazione diretta, più elettroni entrano nella regione di svuotamento e provocano l’emissione di più fotoni.

Esistono due diodi laser comunemente usati: ①Fotodiodo PIN. Quando riceve energia ottica e genera fotocorrente, porterà rumore quantistico. ②Fotodiodo a valanga. Fornisce un'amplificazione interna e può trasmettere più lontano di un fotodiodo PIN, ma ha un rumore quantistico maggiore. Per ottenere un buon rapporto segnale-rumore, è necessario collegare dietro al dispositivo di fotorilevamento un preamplificatore a basso rumore e un amplificatore principale.

I parametri comunemente utilizzati dei diodi laser a semiconduttore sono:
(1) Lunghezza d'onda: ovvero la lunghezza d'onda di lavoro del tubo laser. Attualmente, le lunghezze d'onda dei tubi laser che possono essere utilizzati come interruttori fotoelettrici includono 635 nm, 650 nm, 670 nm, 690 nm, 780 nm, 810 nm, 860 nm, 980 nm, ecc.

(2) Corrente di soglia Ith: cioè la corrente alla quale il tubo laser inizia a generare l'oscillazione del laser. Per i tubi laser generali a bassa potenza, il suo valore è di circa decine di milliampere. La corrente di soglia dei tubi laser con una struttura a pozzi quantici multipli può essere pari a 10 mA. il seguente.

(3) Corrente operativa Iop: ovvero la corrente di pilotaggio quando il tubo laser raggiunge la potenza di uscita nominale. Questo valore è importante per la progettazione e il debug del circuito di pilotaggio del laser.

(4) Angolo di divergenza verticale θ⊥: l'angolo al quale la striscia luminosa del diodo laser si apre nella direzione perpendicolare alla giunzione PN, generalmente intorno a 15 gradi ~ 40 gradi.

(5) Angolo di divergenza orizzontale θ∥: l'angolo al quale la banda luminosa del diodo laser si apre nella direzione parallela alla giunzione PN, generalmente intorno a 6 gradi ~10 gradi.

(6) Corrente di monitoraggio Im: ovvero la corrente che scorre attraverso il tubo PIN quando il tubo laser è alla potenza di uscita nominale.

Nella vita reale, i diodi laser sono ampiamente utilizzati nei campi delle scienze dell'informazione, come le comunicazioni in fibra ottica, l'archiviazione su dischi ottici, la stampa e la copia e la cosmetologia medica. Per applicazioni specifiche, la selezione deve essere combinata con i principali parametri tecnici, tra cui lunghezza d'onda, potenza di uscita, corrente operativa, tensione operativa, ecc. I diodi laser sono ampiamente utilizzati anche in dispositivi optoelettronici a bassa potenza come unità disco ottico su computer e stampanti. testine nelle stampanti laser.

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