半導體雷射原理
半導體雷射二極體 (LD) 運作原理
電能 (載流子注入) → 光子 (受激輻射) → 雷射 (諧振放大輸出)
1. 外加偏壓注入電流 (Bias Current)
75 mA
臨界門檻電流 (Ith) 約為 40 mA。小於 40 mA 為微弱自發輻射 (LED 模式)；大於 40 mA 產生粒子數反轉與同調受激放大；電流為 0 mA 時停止注入且殘存光子迅速逸散熄滅。
2. 光學諧振腔反射端面 (Resonant Cavity)
控制兩側鏡面是否存在，可清晰對比一般 LED 與雷射的結構差異：
快速測試運作情境：
1
載流子注入 (Carrier Injection)
外加順向偏壓驅動下，P 區電洞向下移動，N 區電子向上移動，兩者大量注入中間厚度僅數十奈米的有源層。當注入電流超過臨界門檻值 (I > Ith)，導帶高能階電子大幅積累，達成「粒子數反轉」。
2
光子往返增益 (Stimulated Emission)
在有源層中自發複合產生的種子光子，誘發受激輻射，產生頻率、相位、偏振與運動方向完全相同的孿生光子。兩側端面使光子來回穿梭反射，在腔內引發雪崩般的倍增放大。
3
雷射端面輸出 (Output Coupling)
後端面高反射鏡 (接近 100% 反射) 阻擋光線後漏，前端面部分反射鏡 (約 30%~70%) 在腔內光強達到動態平衡時，允許同調光束透射而出，形成高準直度、極窄頻譜的強烈雷射。
自發輻射 (LED) vs. 受激輻射 (雷射 LD) 本質對比
| 比較項目 | 發光二極體 (LED) | 半導體雷射 (Laser Diode) |
|---|---|---|
| 發光物理機制 | 自發輻射 (Spontaneous) | 受激輻射 (Stimulated) |
| 光學諧振腔 | 無 | 必須具備 (法布立-培若腔或 DFB 光柵) |
| 同調性 (Coherence) | 無同調性 (相位散亂) | 高空間與時間同調性 (相位高度一致) |
| 光譜線寬 (Δλ) | 寬 (約 30 ~ 100 nm) | 極窄 (< 0.1 ~ 1 nm) |
光通訊延伸：數據如何被寫進光裡？
雷射器本身負責產生高能量的同調「光載波 (Carrier)」。若要將資料寫入光束中，主要有兩種方式：
• 直接調變 (DML): 利用高速晶片直接控制注入電流高低 (I > Ith 代表「1」，I ≤ Ith 代表「0」)。架構簡單經濟，但高頻切換容易造成波長頻率漂移 (啁啾效應，Chirp)。
• 外部調變 (EML / MZM): 雷射二極體保持恆定電流持續出光，外部串接電吸收調變器 (EAM) 或馬赫-曾德爾調變器 (MZM) 作為高速開關閥，可支援 400G、800G 以上的超高速長途光纖傳輸。
• 直接調變 (DML): 利用高速晶片直接控制注入電流高低 (I > Ith 代表「1」，I ≤ Ith 代表「0」)。架構簡單經濟，但高頻切換容易造成波長頻率漂移 (啁啾效應，Chirp)。
• 外部調變 (EML / MZM): 雷射二極體保持恆定電流持續出光，外部串接電吸收調變器 (EAM) 或馬赫-曾德爾調變器 (MZM) 作為高速開關閥，可支援 400G、800G 以上的超高速長途光纖傳輸。
留言
張貼留言