Лазерный диод

Лазерный диод — это полупроводниковый прибор, который создаёт когерентный свет (однородный по частоте и фазе) с помощью электрического тока. В ВОСП этот свет передаёт данные на большие расстояния. Разберём процесс генерации света на уровне электронов и фотонов.

Шаг 1: Подача электрического тока

Лазерный диод содержит p-n-переход — место, где соединяются два типа полупроводников. Когда через него проходит электрический ток, электроны (из n-области) и дырки (из p-области) устремляются к активной области — тонкому слою полупроводника, где и происходит процесс генерации видео.

Шаг 2: Накопление электронов и дырок

При подаче тока электроны в n-области накапливаются в зоне проводимости, а дырки в p-области — в валентной зоне. Эти носители заряда скапливаются по разные стороны p-n-перехода, создавая высокую концентрацию частиц, готовых к взаимодействию в активной области — тонком слое полупроводника между n- и p-областями.

Шаг 3: Спонтанная рекомбинация

Когда электрон из n-области переходит через активную область в p-область, он встречает дырку. Электрон "падает" на более низкий энергетический уровень, занимая место дырки, и выделяет энергию в виде фотона — частицы света. Энергия фотона зависит от материала диода: например, в арсениде галлия (GaAs) это инфракрасный свет с длиной волны около 870 нм. Такие фотоны испускаются хаотично, в случайных направлениях.

Шаг 4: Индуцированное излучение

Некоторые фотоны, созданные спонтанно, сталкиваются с другими электронами в активной области. Если энергия фотона совпадает с энергией перехода электрона, он "заставляет" электрон рекомбинировать, создавая новый фотон. Этот новый фотон идентичен первому по частоте, фазе и направлению — так рождается когерентный свет, характерный для лазера.

Шаг 5: Усиление в оптическом резонаторе

Лазерный диод имеет резонатор — обычно две отражающие грани кристалла. Фотоны "заперты" внутри, многократно отражаясь и вызывая всё больше индуцированных рекомбинаций. Это создаёт лавину когерентных фотонов, усиливая свет.

Шаг 6: Порог лазерной генерации

Когда ток достигает определённого уровня (порогового тока), усиление света превышает потери (из-за поглощения или выхода света). В этот момент диод начинает излучать устойчивый, мощный лазерный свет с узкой спектральной линией.

Шаг 7: Модуляция для передачи данных

Чтобы передать данные, ток через диод изменяют: включают, выключают или регулируют его силу. Это меняет интенсивность света, кодируя информацию в последовательности фотонов, которые затем отправляются в волокно.