تمثل المنطقة الطيفية المحيطة بـ 635 نانومتر عتبة تقنية حرجة في طيف الضوء المرئي. في حين أن الثنائيات 650 نانومتر و660 نانومتر منتشرة في كل مكان في الإلكترونيات الاستهلاكية، فإن صمام ليزر ديود 635 نانومتر تعمل بشكل أقرب إلى ذروة حساسية العين البشرية، مما يوفر سطوعًا أعلى بكثير لكل مللي واط من الخرج. ومع ذلك، يتطلب تحقيق هذا التحول نحو أطوال موجية أقصر معالجة متطورة لنظام مادة AlGaInP (فوسفيد الألومنيوم الغاليوم الإنديوم).

على المستوى الذري، يخضع الطول الموجي للانبعاثات لطاقة فجوة الحزمة في منطقة البئر الكمية النشطة (QW). للوصول إلى 635 نانومتر، فإن جزء الألومنيوم الجزيئي ($x$) في $ (Al_x Ga_x Ga_{1-x}) _{0.5} In_{0.5} يجب زيادة سبيكة P$ بدقة. هذا التعديل، على الرغم من فعاليته في التحويل الطيفي، إلا أنه يقدم تحديًا هندسيًا هائلاً: انخفاض في إزاحة نطاق التوصيل ($ \Delta E_c$). فمع اتساع فجوة النطاق، يصبح حاجز الطاقة الذي يمنع الإلكترونات من التسرب من البئر الكمي إلى طبقات الكسوة أقل.

هذا “التسرب الناقل” هو العدو الأساسي لـ صمام ليزر ديود 635 نانومتر. في درجات حرارة التشغيل المرتفعة، تكتسب الإلكترونات طاقة حرارية كافية للهروب من المنطقة النشطة، مما يؤدي إلى ارتفاع حاد في تيار العتبة وانخفاض في كفاءة الباعث الحائطي. وبالتالي، فإن أداء باعث 635 نانومتر يكون أكثر حساسية لبنيته الداخلية - سواء كان يستخدم تجويف فابري-بيروت البسيط أو بنية تغذية مرتدة موزعة معقدة - أكثر من أي صمام ثنائي مرئي آخر تقريبًا.

ديناميكيات التجويف: التباين الأساسي لهياكل FP و DFB

عندما يقوم مهندس بتقييم ليزر للبيع, فإن الاختيار بين الصمام الثنائي الليزري الليزري FP و الصمام الثنائي الليزري DFB ليزر DFB هو في النهاية اختيار بين مصدر ضوء واسع الطيف وأداة تردد دقيقة. وهذا الاختيار تمليه طريقة التغذية المرتدة البصرية المستخدمة داخل شريحة أشباه الموصلات.

تجويف فابري-بيرو (FP): التذبذب واسع النطاق

ال FP ديود ليزر هي البنية الأساسية للصناعة. وهي تعتمد على الأوجه المشقوقة بشكل طبيعي لبلورة أشباه الموصلات لتعمل كمرايا. وهذا يخلق تجويفًا رنانًا يدعم أوضاعًا طولية متعددة في وقت واحد. ونظرًا لأن ملف تعريف الكسب لمادة AlGaInP واسع نسبيًا، يمكن للعديد من هذه الأنماط الوصول إلى عتبة الليزر في وقت واحد.

والنتيجة هي ناتج “فوضوي” من الناحية الطيفية، على الرغم من أنه متماسك مكانيًا. تتوزع الطاقة عبر عدة أطوال موجية منفصلة (أنماط) يفصل بينها بضعة أعشار من النانومتر. علاوة على ذلك، تتنافس هذه الأنماط باستمرار على الكسب المتاح. تتسبب التقلبات الصغيرة في درجة الحرارة أو تيار الحقن في تحول الطاقة بشكل غير متوقع من وضع إلى آخر - وهي ظاهرة تُعرف باسم ضوضاء تقسيم الوضع (MPN). بالنسبة لنقل البيانات عالية السرعة أو القياس الدقيق، تقدم MPN تشويش تقسيم الوضع (MPN) الذي يمكن أن يجعل النظام غير موثوق به.

شبكة التغذية الراجعة الموزعة (DFB): اختيار التردد

ال الصمام الثنائي الليزري DFB ليزر DFB يزيل تنافس الأنماط من خلال دمج مرشح انتقائي للتردد مباشرةً في الدليل الموجي لليزر. ويأخذ هذا المرشح شكل شبكة براج الدورية المحفورة بدقة نانومترية في طبقات أشباه الموصلات. وعلى عكس ليزر FP، الذي يوفر تغذية مرتدة في نهايات التجويف، يوفر ليزر DFB تغذية مرتدة بشكل مستمر على طول طوله.

يتم حساب فترة الشبك ($ \Lambda$) لتلبية شرط Bragg لطول موجي واحد فقط. وهذا يجبر الجهاز على العمل كـ ليزر الوضع الطولي الفردي, وقمع جميع الأنماط المتنافسة. وغالبًا ما يكون النقاء الطيفي لليزر DFB أعلى بأضعاف من ليزر FP، مع عرض خطي يمكن أن يكون أضيق من 1 ميجاهرتز. في سياق صمام ليزر ديود 635 نانومتر, توفر بنية DFB الاستقرار اللازم للتطبيقات التي تتطلب دقة الطول الموجي المطلق، مثل الساعات الذرية أو التحليل الطيفي الغازي.

هندسة الليزر أحادي الوضع الطولي: ما وراء الشبكة

إنتاج منتج موثوق ليزر الوضع الطولي الفردي عند 635 نانومتر يتطلب أكثر من مجرد حفر شبكة. إنه ينطوي على نهج شامل للنمو الفوقي وهندسة الدليل الموجي الحديدي لضمان بقاء الوضع الأحادي مستقرًا على مدار آلاف الساعات من التشغيل.

تكامل التحول المرحلي

من المشاكل الشائعة في ليزرات DFB هي “انحلال الوضع”، حيث تدعم شبكة براغ وضعين متماثلين متماثلين حول طول موجة براغ. لحل هذه المشكلة، يتم استخدام الصمام الثنائي الليزري DFB ليزر DFB تشتمل التصاميم على إزاحة طور $ \lambda/4$ في مركز الشبكة. يكسر هذا الإزاحة التماثل ويضمن أن وضعًا واحدًا فقط - وهو الوضع عند الطول الموجي الدقيق لشبكة براغ - يختبر أقصى قدر من التغذية الراجعة.

الموجي الحديدي والحصر المكاني

للحفاظ على وضع مكاني واحد ($TEM_{00}$)، يجب حفر الدليل الموجي للحافة بعمق وعرض دقيقين. في صمام ليزر ديود 635 نانومتر, وحيثما تكون طاقة الفوتون عالية، يجب أيضًا تصميم الحافة لتقليل الامتصاص البصري في طبقات الكسوة p. يتم تحويل أي ضوء ممتص إلى حرارة، مما قد يتسبب في تحول معامل الانكسار محليًا، مما قد “يسحب” الطول الموجي لليزر بعيدًا عن هدف التصميم.

تخميل الأوجه والموثوقية

نظرًا لأن فوتونات 635 نانومتر تحمل طاقة عالية، فإن جوانب الصمام الثنائي معرضة للتلف البصري الكارثي (COD). تعمل الأكسدة في الواجهة كمركز إعادة التركيب غير الإشعاعي، الذي يمتص الضوء ويولد حرارة. تتسبب هذه الحرارة في انكماش فجوة النطاق، مما يؤدي إلى مزيد من الامتصاص في حلقة مفرغة تؤدي في النهاية إلى ذوبان الواجهة. درجة احترافية الصمام الثنائي الليزري الليزري FP ووحدات DFB تستخدم طبقات تخميل ذات واجهة خاصة - غالبًا ما تتكون من نيتريدات أو أكاسيد متقدمة - لإغلاق سطح البلورة بإحكام عن البيئة.

منطق التكلفة إلى الجودة: لماذا يعتبر الوضع الأحادي مهمًا للخطوط النهائية لمصنعي المعدات الأصلية

عندما تقارن فرق المشتريات بين الصمام الثنائي الليزري الليزري FP مع الصمام الثنائي الليزري DFB ليزر DFB, يمكن أن تكون الفجوة السعرية الأولية كبيرة. ويتطلب ليزر DFB الطباعة الحجرية بالحزمة الإلكترونية، والنمو الفوقي الثانوي، واختبارات أكثر صرامة، وكلها تزيد من تكلفة الوحدة. ومع ذلك، من من منظور “التكلفة الإجمالية للنظام”، غالبًا ما يكون ليزر DFB هو الخيار الأكثر اقتصادًا لمصنعي المعدات الأصلية عالية الدقة.

الحد من تعقيدات المصب

في جهاز استشعار عالي الدقة، باستخدام جهاز استشعار عالي الدقة الصمام الثنائي الليزري الليزري FP غالبًا ما يستلزم استخدام خزانات الطول الموجي الخارجية، أو مرشحات بصرية عالية الجودة، أو العلب المعقدة المثبتة لدرجة الحرارة. يضيف كل من هذه المكونات التكلفة والوزن ونقاط الفشل إلى المنتج النهائي. A ليزر الوضع الطولي الفردي يدمج ثبات الطول الموجي هذا في الرقاقة نفسها، مما يسمح لمصنعي المعدات الأصلية بتبسيط القطار البصري وتقليل البصمة المادية لأجهزتهم.

طول العمر والخدمة الميدانية

السبب الرئيسي للأعطال الميدانية في أنظمة الليزر الدقيقة هو “الانجراف الطيفي”. فمع تقادم ليزر FP، يمكن أن يتغير سلوكه في التنقل بين الأوضاع، مما يتسبب في خروج النظام عن المعايرة. A الصمام الثنائي الليزري DFB ليزر DFB, ، كونه مغلقًا ماديًا بواسطة مقضبة، فهو أكثر مقاومة بكثير للتقادم الطيفي. من خلال اختيار مصدر DFB، يمكن لمصنعي المعدات الأصلية تمديد فترة خدمة أجهزتهم وتقليل التكاليف المرتفعة المرتبطة بالإصلاحات الميدانية ومطالبات الضمان.

بيانات الأداء الفني: مقارنة بين FP و DFB 635nm

يوفر الجدول التالي خط أساس تقني للمهندسين لاستخدامه عند الاختيار بين هاتين البنيتين في الطيف الأحمر.

توسيع النطاق التقني: المحركات الدلالية عالية الحركة

لفهم المشهد التنافسي لـ صمام ليزر ديود 635 نانومتر التكنولوجيا، يجب على المهندسين دمج ثلاثة مفاهيم تقنية إضافية:

1. نسبة كبت الوضع الجانبي (SMSR): لأجل ليزر الوضع الطولي الفردي, ، فإن SMSR هو المقياس النهائي للنقاء الطيفي. وهو يمثل نسبة الطاقة بين الوضع الرئيسي وأقوى وضع طفيلي. ويُعد معدل SMSR > 40 ديسيبل هو السمة المميزة لجهاز DFB المتطور.
2. ضوضاء الشدة النسبية (RIN): ولأن ليزرات DFB تقضي على تنافس الأنماط، فإنها تُظهر بشكل عام معدل RIN أقل بكثير من ليزرات FP. وهذا أمر بالغ الأهمية للتصوير والاتصالات عالية الدقة.
3. ثبات توجيه الشعاع: بعيدًا عن الطيف، فإن الاستقرار الميكانيكي لـ باعث ديود ليزر يحدد حركة مركز ثقل الشعاع على درجة الحرارة. وهذا أمر حيوي لاقتران الضوء في الألياف أحادية الوضع.

دراسة حالة: قياس الاهتزاز الدوبلر بالليزر عالي الدقة (LDV)

خلفية العميل

كانت إحدى الشركات المصنعة لمقاييس اهتزازات دوبلر الليزرية الدوبلرية - وهي أدوات تستخدم لقياس الاهتزازات غير المتصلة في محركات السيارات والإلكترونيات الدقيقة - تعاني من “ضوضاء الطور” في أنظمتها التي يبلغ حجمها 635 نانومتر.

التحديات التقنية

استخدم النظام صمام ليزر ديود 635 نانومتر للكشف عن التحولات الدقيقة في التردد (تحولات دوبلر) في الضوء المنعكس من سطح مهتز. وقد تم استخدام الصمام الثنائي الليزري الليزري FP أظهرت قفزات متكررة في النمط وضوضاء عالية الطور، والتي كانت إلكترونيات النظام تسيء تفسيرها على أنها اهتزازات فيزيائية. وقد أدى ذلك إلى “أرضية ضوضاء” حالت دون قياس الإزاحات دون الميكرون.

إعدادات المعلمات الفنية

تم إعادة تصميم النظام باستخدام ليزر الوضع الطولي الفردي (نوع DFB) مع المعلمات التالية:

• الطول الموجي التشغيلي: 635.8 ميل بحري.
• SMSR: 45 ديسيبل.
• عرض الخط: 500 كيلوهرتز.
• نطاق الضبط: 2 نانومتر (عبر ضبط درجة الحرارة للكشف عن التغاير).
• الحزمة: 14 سن فراشة مع عازل داخلي و TEC.

بروتوكول مراقبة الجودة (QC)

للتأكد من أن الليزر يلبي المتطلبات الصارمة لـ LDV، أجرينا “توصيف ضوضاء التردد” باستخدام مقياس تداخل التداخل الذاتي المتغاير المتأخر. ونفذنا أيضًا اختبار “استقرار الطول الموجي على المدى الطويل”، حيث تمت مراقبة الطول الموجي المركزي لمدة 1000 ساعة بكامل طاقته؛ وتم تحديد الانحراف المسموح به عند <0.02 نانومتر.

الخلاصة

بالتبديل إلى الصمام الثنائي الليزري DFB ليزر DFB, خفض العميل مستوى التشويش في النظام بمقدار 22 ديسيبل. سمح التخلص من قفز النمط بالحصول على بيانات مستمرة وعالية السرعة. على الرغم من أن وحدة DFB كانت أكثر تكلفة، إلا أن العميل كان قادرًا على إزالة دائرة تتبع الطور الخارجية المعقدة، مما أدى إلى الحصول على أداة أكثر قوة وأرخص قليلاً بشكل عام. وقد عزز هذا الانتقال مكانتهم كشركة رائدة في السوق في تحليل الاهتزازات عالية التردد.

التوريد الاستراتيجي: تحديد التميز التقني

في السوق لـ ليزر للبيع, ، فإن الفرق بين “المورد” و “الشريك التقني” هو توافر البيانات الأولية. عند تحديد مصدر صمام ليزر ديود 635 نانومتر, يجب أن يطلب صانع المعدات الأصلية

• الطيف على التيار: هل يصمد الوضع الأحادي عبر نطاق الطاقة بالكامل؟
• مادة التركيب الفرعي: هل الصمام الثنائي مركب على نيتريد الألومنيوم (AlN) لزيادة نقل الحرارة إلى أقصى حد؟
• سلامة التخميل: ما هو الحد الأدنى للضرر البصري الكارثي (التلف البصري الكارثي)؟

في laserdiode-ld.com, ينصب التركيز على الفيزياء الأساسية. من خلال إتقان النمو الفوقي ل AlGaInP والطباعة الليثوغرافية النانوية لشبكات DFB، يبقى التركيز على تقديم ليزر الوضع الطولي الفردي التي تلبي المتطلبات الصارمة للقطاعين الصناعي والطبي.

الأسئلة الشائعة: الأسئلة والأجوبة المهنية الهندسية

س1: لماذا يكون الحفاظ على SMSR لليزر DFB DFB 635 نانومتر أصعب من ليزر 1550 نانومتر؟

ج: يرجع ذلك في المقام الأول إلى خصائص كسب المادة. إن طيف الكسب لنظام AlGaInP أكثر حساسية لتغيرات درجة الحرارة وكثافة الناقل من نظام InGaAsP المستخدم عند 1550 نانومتر. وهذا يعني أن شبكة DFB يجب أن توفر تغذية راجعة أقوى بكثير لمنع الليزر من القفز إلى الوضع الجانبي.

س2: هل يمكنني تعديل ليزر الوضع الطولي الفردي بسرعات عالية؟

ج: بالتأكيد. تُفضل ليزرات DFB للتضمين عالي السرعة لأنها لا تعاني من “ضوضاء تقسيم الوضع” التي تصيب ليزرات FP أثناء التبديل السريع للتشغيل/إيقاف التشغيل. وينتج عن ذلك مخطط عين أنظف بكثير في أنظمة الاتصالات.

س3: هل يتميز الصمام الثنائي الليزري الليزري FP بأي مزايا عن الصمام الثنائي الليزري DFB؟

ج: نعم. بالنسبة للتطبيقات التي لا تتطلب نقاءً طيفيًا - مثل الضخ عالي الطاقة أو المحاذاة البسيطة أو العلاج بالليزر - فإن الصمام الثنائي الليزري FP أرخص بكثير ويمكنه في كثير من الأحيان تحقيق طاقة خرج إجمالية أعلى لأنه لا يفقد الطاقة بسبب الانعكاسات الشبكية.

س4: كيف يختلف الليزر “أحادي التردد” عن الليزر “أحادي الوضع”؟

ج: في الدوائر التقنية، غالبًا ما يتم استخدام هذه المصطلحات بالتبادل. ومع ذلك، يشير مصطلح “الوضع الأحادي” عادةً إلى الوضع العرضي (المكاني)، بينما يشير مصطلح “التردد الأحادي” (أو الوضع الطولي الأحادي) على وجه التحديد إلى الخرج الطيفي. الصمام الثنائي DFB عالي الجودة هو كلاهما.