5 Optoelektronické prvky a senzory
5.3 LD, laserové diody

Laser: angl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla stimulovanou emisí. Energie dopadajícího fotonu, E = hυ, stimuluje proces emise přechodem elektronu na nižší energetickou hladinu. Tento proces umožňuje zesílení fotonů: jeden dopadající foton ve výsledku znamená dva fotony, které se šíří ve stejném směru a které mají stejnou vlnovou délku a fázi.

LED diody popsané v předchozí kapitole využívají jevu spontánní emise, kdežto LD (laserová dioda) vyžívá jevu stimulované emise záření.

Za účelem dosažení zesílení světla stimulovanou emisí musí být pravděpodobnost emise fotonu větší než pravděpodobnost absorpce pro uvažované spektrum. Ve chvíli, kdy stimulovaná emise převažuje, je záření zesílené a lze pozorovat laserovou akci. Stimulovaná emise je dominantním jevem, když je pravděpodobnost nalezení elektronu ve vodivostním pásu větší než pravděpodobnost nalezení elektronu ve valenčním pásu. Tato situace nastává ve stavu populační inverze. Populační inverze je dosažená ve chvíli, kdy je rozdíl mezi Fermiho energií pro elektrony, EFN, a Fermiho energií pro díry, EFN, větší než zakázaný pás, Eg. Za účelem oddělení těchto energetických hladin Fermiho je zapotřebí čerpat energii v podobě elektrického proudu v polovodiči. Toto čerpání laseru nastává, pokud je injektován jistý proud větší než prahový proud, a polovodič se bude nacházet ve stavu populační inverze.

Optické reflektory, např. FP (Fabry-Perot) nebo dielektrická zrcátka DBR (distributed Bragg reflector, distribuovaný Braggův reflektor), obsahující laser mezi dvěma odrážejícími povrchy, se používají jako optické rezonátory. Ve stavu rovnováhy lze pozorovat stacionární elektromagnetické oscilace v optickém rezonátoru. Tyto oscilace vznikají na odrazných plochách optického rezonátoru. Optický rezonátor má osu kolmou k průtoku proudu. Při každém odrazu vlna částečně prochází stěnou reflektoru. Oscilace laseru začínají v okamžiku, kdy se míra zesílení rovná celkové míře ztrát na stranách rezonátoru sečtené s rozptylem v přenosovém médiu a absorpcí v krystalu.

Rozlišujeme dva hlavní typy LD: diody emitující hranou a povrchem. Laserové diody vyzařující hranou se vyznačují širokou a astigmatickou emisí; povrchem vyzařující laserové diody vyzařují užší svazek.

VCSEL (vertical cavity surface emitting lasers) jsou lasery s velmi krátkou aktivní oblastí, které mají hlavní osu optického rezonátoru podél směru protékání proudu.

V těchto laserech emise záření nastává ve směru kolmém k aktivní oblasti. VCSEL umožňuje přenos dat s rychlostí až 10 Gbs-1.

EOM (elektro-optický modulátor) je optoelektronické zařízení, které se používá pro ovládání výkonu, fáze a polarizace laserového paprsku pomocí elektrického řídicího signálu.

LD jsou nejběžnějšími druhy laserů, které nacházejí širokou škálu aplikací. Vyznačují se malými rozměry, nízkou cenou a dlouhou životností. LD je součástka vhodná pro mnohé aplikace, jakými jsou mimo jiné optické komunikace, čtečky čárových kódů, laserová ukazovátka, čtečky a zapisovače CD/DVD/Blu-ray, laserové skenery a tiskárny, směrové zdroje záření.