광전자 기술의 급속한 발전으로 반도체 레이저는 높은 효율, 소형 크기, 그리고 변조의 용이성 덕분에 통신, 의학, 산업 공정, LiDAR 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 이 기술의 핵심에는 절대적으로 중요한 역할을 하는 이득 매질이 있습니다.“에너지원”자극 방출과 레이저 생성을 가능하게 하여 레이저를 결정합니다.'성능, 파장 및 응용 잠재력.
1. 이득 매체란 무엇인가?
이름에서 알 수 있듯이, 이득 매질은 광 증폭을 제공하는 물질입니다. 외부 에너지원(예: 전기 주입 또는 광 펌핑)에 의해 여기되면 유도 방출 메커니즘을 통해 입사광을 증폭시켜 레이저 출력을 생성합니다.
반도체 레이저에서 이득 매질은 일반적으로 PN 접합의 활성 영역으로 구성되며, 이 영역의 재료 구성, 구조 및 도핑 방법은 임계 전류, 방출 파장, 효율 및 열 특성과 같은 주요 매개변수에 직접적인 영향을 미칩니다.
2. 반도체 레이저의 공통 이득 재료
III-V 화합물 반도체는 가장 일반적으로 사용되는 이득 재료입니다. 대표적인 예는 다음과 같습니다.
①GaAs(갈륨비소화물)
850에서 방출되는 레이저에 적합–980nm 범위로 광통신과 레이저 인쇄에 널리 사용됩니다.
②InP(인듐인화물)
광섬유 통신에 필수적인 1.3µm 및 1.55µm 대역의 방출에 사용됩니다.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
이들의 구성은 다양한 파장을 달성하도록 조정될 수 있으며, 이는 조정 가능한 파장 레이저 설계의 기초를 형성합니다.
이러한 소재는 일반적으로 직접적인 밴드갭 구조를 특징으로 하며, 이로 인해 광자 방출과 함께 전자-홀 재결합에서 매우 효율적이어서 반도체 레이저 이득 매질에서 사용하기에 이상적입니다.
3. 이득 구조의 진화
제조 기술이 발전함에 따라 반도체 레이저의 이득 구조는 초기의 동종 접합에서 이종 접합으로, 나아가 고급 양자 우물 및 양자점 구성으로 발전했습니다.
①이종접합 이득 매체
서로 다른 밴드갭을 갖는 반도체 소재를 결합함으로써 캐리어와 광자를 지정된 영역에 효과적으로 가두어 이득 효율을 높이고 임계 전류를 줄일 수 있습니다.
②양자 우물 구조
활성 영역의 두께를 나노미터 수준으로 줄임으로써 전자가 2차원으로 제한되어 복사 재결합 효율이 크게 향상됩니다. 이를 통해 문턱 전류가 낮고 열 안정성이 향상된 레이저가 개발됩니다.
③양자점 구조
자기조립 기술을 이용하여 영차원 나노구조를 형성하여 날카로운 에너지 준위 분포를 제공합니다. 이러한 구조는 향상된 이득 특성과 파장 안정성을 제공하여 차세대 고성능 반도체 레이저 연구의 핵심 연구 분야로 자리매김하고 있습니다.
4. 이득 매체는 무엇을 결정합니까?
①방출 파장
재료의 밴드갭은 레이저를 결정합니다.'s 파장. 예를 들어, InGaAs는 근적외선 레이저에 적합한 반면, InGaN은 청색 또는 자색 레이저에 사용됩니다.
②효율성 및 전력
캐리어 이동도와 비방사 재결합 속도는 광-전기 변환 효율에 영향을 미칩니다.
③열 성능
다양한 재료는 온도 변화에 각기 다르게 반응하며, 이는 산업 및 군사 환경에서 레이저의 신뢰성에 영향을 미칩니다.
④변조 응답
이득매질은 레이저에 영향을 미칩니다.'고속 통신 애플리케이션에 중요한 응답 속도입니다.
5. 결론
반도체 레이저의 복잡한 구조에서 이득매질은 진정한 "심장"입니다.—레이저 생성뿐만 아니라 수명, 안정성, 그리고 응용 분야에도 영향을 미칩니다. 재료 선택부터 구조 설계, 거시적 성능부터 미시적 메커니즘까지, 이득 매질 분야의 모든 혁신은 레이저 기술을 더 높은 성능, 더 폭넓은 응용 분야, 그리고 더 심층적인 탐구로 이끌고 있습니다.
재료 과학 및 나노 제조 기술의 지속적인 발전으로 미래의 이득 매체는 더 높은 밝기, 더 넓은 파장 범위 및 더 스마트한 레이저 솔루션을 제공할 것으로 예상됩니다.—과학, 산업, 사회에 더 많은 가능성을 열어줍니다.
게시 시간: 2025년 7월 17일