الليزرات شبه الموصلة (Semiconductor Lasers):

يتكون الليزر شبه الموصل:

من بلورة من مادة شبه موصلة يتم تطعيمها بعناصر مانحة وأخرى مستقبلة لتصبح على شكل وصلة موجب_سالب (PN junction) أي ثنائي (diode) ولذلك يغلب على اسمه ثنائي الليزر (laser diode).

ويتم صقل وجهين متعامدين من أوجه البلورة للحصول على التغذية الخلفية وأما عملية الضخ فتتم من خلال تمرير تيار في هذه الوصلة وإذا ما تجاوزت قيمة التيار قيمة حدية (threshold) فإن الثنائي يبدأ بتوليد ضوء الليزر. ولكي يعمل الليزر يحتاج أن يكون سمك المادة الفعالة ضئيل جدا تقاس بالميكرومترات وذلك للحصول على كثافة تيار عالية جدا قد تصل لعشرات الآلاف أمبير للسنتيمتر المربع. إن هذا السمك الضئيل للطبقة الفعالة يعطي عرض شعاع دقيق جدا عند خروجه من الليزر مما يزيد من زاوية انفراج الشعاع كما شرحنا سابقا ولهذا يتطلب استخدام عدسات للحصول على شعاع بزاوية انفراج صغيرة. ولا تستخدم المواد شبه الموصلة الأساسية وهي السيليكون والجرمانيوم في هذه الليزرات لعدم تحقيقها لكامل شروط عمل الليزر بل يتم استخدام مواد شبه موصلة مركبة من عناصر العامود الثالث والخامس في الجدول الدوري ويمكن الحصول على مدى واسع من الترددات من خلال اختيار نوع العناصر ونسب خلطها. فعلى سبيل المثال فإن ليزر الجاليوم- الزرنيخ (GaAs) يولد ضوء بطول موجي من 800 إلى 900 نانومتر وليزر (AlGaAs) يولد ضوء تتراوح أطواله الموجية بين 630 و 900 نانومتر بينما يولد ليزر (InGaAsP) ترددات تتراوح أطوالها الموجية بين 1000 و 2100 نانومتر. وتتميز الليزرات شبه الموصلة بصغر حجمها البالغ والتي قد تصل ما دون حجم حبة العدس بل يمكن تصنيع أعداد كبيرة منها على نفس القاعدة وبسهولة عملية الضخ فيها من خلال استخدام التيار الكهربائي إلى جانب إمكانية إنتاجها بكميات كبيرة جدا.

بسبب هذه الميزات انتشر استخدامها في التطبيقات التي تحتاج ليزرات صغيرة الحجم ولا تستهلك كمية كبيرة من الطاقة كما في أنظمة الاتصالات الضوئية وفي الأقراص الضوئية المدمجة وفي الطابعات وفي أجهزة المساحة وقارئات الباركود وفي خطوط الإنتاج وغيرها الكثير. وقد أنتج من الليزرات شبه الموصلة في عام 2004م فقط ما يقرب من 750 مليون ليزر بينما كان مجموع ما أنتج من بقية أنواع الليزر 150 مليون ليزر.

تختلف ليزرات شبه الموصلة عن ليزرات الحالة الصلبة الإعتيادية في طريقة الضخ الطاقي و في احتوائها على حزم عريضة من مستويات الطاقة بدلا من المستويات المفردة التي تحدث بينها الإنتقالات التي تشارك في عملية الإنبعاث الليزري، حيث تحتوي كل حزمة على عدد كبير من المستويات الطاقية المتقاربة و التي لا يقترن وجودها بذرات معينة و إنما تشترك فيها المادة البلورية كلا و يكون ازدياد قيمة عامل الكسب الضوئي متعلقا بمقدار التيار الذي يمر عبر وصلة الوسط شبه الموصل. إن ليزر أشباه الموصلات ( ديود الليزر) هو ليزر من مادة شبه موصلة تتميز بأنها ذات فجوة حزمية مباشرة و أكثر أنواعه شيوعا هو ديود زرنيخ الغاليوم (GaAs) الذي يصدر إشعاعا تحت أحمر بطول موجي 0.85 ميكرون .

يحدث الفعل الليزري في ديود الليزر نتيجة الإنتقال المحثوث للإلكترونات بين المستويات الإلكترونية لحزمة التوصيل(Conduction Band) و المستويات الإلكترونية لحزمة التكافؤ (Valence Band) و لذلك فإن الإنتقالات قد تحدث بين أوضاع الكترونية ذات طاقات مختلفة و ليس كالإنتقالات التي تكون بين مستويات طاقية محددة .

لقد تم اكتشاف هذا النوع من الليزر سنة 1961 وله كثير من التطبيقات العملية أهمها في حقل الإتصالات و قد استخدم أيضا في ضخ أنواع أخرى من الليزر حيث يتميز هذا النوع من الليزر(ليزر شبه الموصلات- ديود الليزر) بما يلي:

1 - صغر الحجم.

2 - إمكان الضخ المباشر باستخدام تيار كهربائي صغير نوعا ما (150 – 15) ميلي أمبير.

3 - الكفاءة العالية التي قد تصل إلى %32.

4 - إمكانية التحكم بشدة الشعاع الخارج مباشرة بواسطة التيار الكهربائي .

5 - رخيص الثمن.

6 - خاصية التنغيم أي إمكانية الحصول على أي طول موجي من بين أطوال موجية متعددة من الليزر نفسه.

7 - تتميز بإمكانية الفتح و الغلق بسرعة كبيرة مما يمكننا من التحكم به بشكل أفضل.

8 - شدة الإضاءة العالية ( أي أنه يصدر كمية كبيرة من الضوء مركزة في منطقة ضيقة).

9 - نصف قطر المنطقة المضاءة صغير نسبة لنصف قطر مقدمة الديود(على افتراض أنه دائري في أغلب الأحيان).

10 - ذات عمر تشغيلي طويل مما يمكننا من الإعتماد عليه في الإستخدامات التي يكون من الصعب القيام بعمليات تبديل القطع فيها أي أنه ذو كفاءة عالية.

11- يتميز بأن يصدر كمية من الحرارة مقارنة مع المصابيح المتوهجة و هذه ميزة جيدة لصالحه.

إن لديود الليزر إنتقالات متعددة أي يمكن للإلكترونات أن تنتقل بين عدة طبقات و ذلك على اختلاف الذرات و تؤدي هذه الإنتقالات إلى حدوث انبعاث ليزري و يمكن اجمال أهم الإنتقالات بما يلي:

1 - الإنتقالات بين المستويات الطاقية للذرات الشائبة المضفة إلى المادة الأصلية.

2 - الإنتقالات بين المستويات الطاقية للأنطقة الموجودة في المواد النصف ناقلة النقية.

3 - الإنتقالات بين المستويات المغناطيسية.

يتم تصنيع ديود الليزر للإستخدامات التي تحتاج إلى طول موجة صغير من زرنيخ الغاليوم و الألمينوم GaAlAs أما الأجهزة التي تحتاج إلى طول موجة كبير يصنع الديود من InGaAsP.

تكوين ديود الليزر:

يتكون كما ذكرنا من وصلة P-N هي عبارة عن الوسط الفعال و الذي تضخ إليه الطاقة باستخدام التيار الكهربائي و يحيط بهذا المتصل طلاء عاكس تطلى به النهايتان المتقابلتان من رقاقة الليزر نصف الناقل و لكن في بعض الأحيان يكون ذلك غير ضروري لأن معامل الإنكسار للهواء أصغر بكثير من معامل الإنكسار لمعظم المواد نصف الناقلة التي يصنع منها المتصل.

و نلاحظ وجود نوعين رئيسيين لبنية شريحة ديود الليزر و ذلك حسب الشكل و طريقة الإشعاع أو بالأحرى منطقة الضوء الصادر.

فالنوع الأول يصدر الضوء عمودي على الوسط الفعال و الآخر موازي له.

توضع الرقاقة نصف الناقلة المولدة لأشعة الليزر ضمن تشكيلة هيكلية لحمايتها من التعرض المباشر للبيئة المحيطة و لتأمين أسلاك التوصيل إلى الرقاقة بشكل عملي و يضاف إليها عدسات لتقويم الإنتشار الذي قد ينشأ في بعض الأحيان و لتضيق حزمة الضوء في منطقة صغيرة أو لزيادة مساحة المنطقة المضاءة حسب الطلب.

أنواع ديودات الليزر:

توجد بنيتان رئيسيتان لديود الليزر هما:

1- بنية فابري- بيترو أو FP.

2 - البنية ذات التغذية العكسية المجزأة أو DFB.

يتميز النوع الأول FP بأنه اقتصادي أكثر من الثاني و لكنه أكثر ضجيجا من الثاني و أبطأ في الإستجابه بينما يتميز النوع الثاني DFB بأنه أهدأ و أسرع و ذو طيف إصدار أضيق من الأول و هو بالتالي ذو سعر أعلى و لكنه يقدم أداء أفضل و يتميز بإصداره لضوء نقي وحيد اللون بينما يصدر الFP ضوءا ذو أطوال موجية مختلفة.

أما عن استخدام كل من النوعين:

يستخدم الDFB في الدارات الرقمية التي تتطلب سرعة كبيرة و يستخدم أيضا في أغلب الدارات التشابهية و ذلك بسبب سرعته و ضجيجه المنخفض بالإضافة إلى امتلاكه لخطية متفوقة على ال FP و هو ما نحتاجه في الدارات التشابهية.

أما النوع الثاني FP فهو يقسم إلى قسمين:

النوع الأول BH(buried hetero) و النوع الثاني MQW(multi-quantum well)

و قد ساد النوع الأول BH لسنوات عدة في أغلب الإستخدامات و الصناعات التي تستخدم الFP إلا أن النوع الثاني MQW آخذ بالإنتشار على حساب النوع الأول في الوقت الحالي و ذلك بسبب إيجابياته التي يتفوق بها على كل الأنواع الأخرى من الFP

من الخصائص ما يلي:

1 - تيار فتح(عتبة) صغير و بالتالي لن نحتاج إلى استخدام منابع كبيرة .

2 - ذو كفاءة أعلى من غيره.

3- ذو ضجيج منخفض مقارنة مع بقية الأنواع.

4- أكثر خطية.

5 - ذو استقرار عالي فيما يتعلق بدرجات الحرارة و تغيراتها أي عدم تأثره بدرجات الحرارة.

و لكن من سيئاته أنه قد يسبب بعض الإنعكاسات التي قد تؤثر على عمل بعض الأجهزة كما في الألياف البصرية.

و بالحديث عن أنواع ديودات الليزر بالنسبة للبنية لابد لنا من التطرق إلى أحدث أنواعه و هو ما يسمى ب VCSEL و يتميز بأنه يصدر الضوء بشكل عمودي على سطحه على عكس الأنواع القديمة التي تصدر الضوء من السطح الأفقي و الشكل المجاور يبين بنيته.

يشابه الVCSEL في عمله عمل الأنواع العادية من ليزرات المواد النصف ناقلة و التي تتميز بإصدار الضوء من السطح الأفقي.

يتكون الVCSEL من قلب يدعى بالقطاع الفعال أو قطاع التضخيم ووظيفته إصدار الضوء، بينما تقوم طبقات من المواد نصف الناقلة المتنوعة التي تتوضع فوق و تحت القلب بالعمل كمرايا تعكس كل منها مجالا ضيقا من أطوال الموجة للأشعة الصادرة عن القلب و تتجه هذه الأشعة المنعكسة إلى ثقب الإصدار مكونة إشعاعا ذو طول موجة واحد لأن كل طبقة من الطبقات السابقة تمتلك خصائص تمكنها من عكس أمواج صادرة عن القلب بتردد معين محولة إياها إلى أمواج ذات طول موجة واحد.

أما عن ميزات هذا النوع فنذكر:

1 - الحجم الصغير.

2- المرايا المكونة من المواد النصف ناقلة و التي تمنحه تيار عتبة صغير لا يتجاور 1mA

3 - ذو استقرار حراري عالي ، لا يتأثر بتغيرات درجة الحرارة.

استخدام ديود الليزر في الألياف البصرية :

يستخدم ديود الليزر في العديد من الصناعات و الأجهزة التي نستخدمها كل يوم و خاصة في مجال الإتصالات باستخدام الألياف البصرية التي يدخل ديود الليزر في تصاميمها كمنبع للضوء من طرف يوصل الليف ضوءه إلى مستقبل واقع على الطرف الثاني.

من اهم العوامل التي تؤثر على عمل الديود و التي يجب مراعاتها عند الإستخدام في الألياف البصرية هي:

1 - طول الموجة الأصغري:

و نعني بذلك طول الموجة الذي يشع عنده الديود أقصى طاقة ممكنة أي أنه يعمل بطاقته القصوى فيجب الإنتباه إلى مقدار الضياعات الضوئية في الليف و لزوجة الليف و التي تسبب خسارة في في الشدة الضوئية و بالتالي اختيار النوع الأنسب من ديودات الليزر لاستخدامه.

2 - عرض طيف الإصدار:

عند دراسة ديود الليزر بشكل نظري و على اعتبار أنه مثالي فإن هذه الدراسة تظهر أن ديود الليزر يصدر ضوءا وحيد طول الموجة ( طول الموجة الأصغري) غالبا، و لكن في المجال العملي يلاحظ أن الضوء الصادر لا يكون وحيدا و إنما يتألف من عدة أطوال موجة تزيد و تنقص قليلا عن طول الموجة الأصغري و هذا المجال الذي تتوضع فيه أطوال الموجة يدعى بعرض طيف الإصدار للمنبع.

3 - نموذج الإصدار للديود:

يؤثر نموذج الإصدار لديود الليزر على كمية الضوء الذي يمكن تجميعه في الليف البصرية و بالتالي إرساله عبره مما يؤثر على مدى الإرسال و دقته و للحصول على أفضل النتائج يجب أن يكون نصف قطر المساحة المضاءة بالليزر مساوية لنصف قطر نواة الليف البصري و من الممكن أن يعدل و يقوم لأداء أفضل عن طريق إضافة بعض العدسات المقومة في طريق الشعاع لمحرقته في مساحة صغيرة.

4 - القدرة الضوئية:

يتم الحصول على أفضل النتائج نتيجة لاستخدام ديود الليزر عندما نتمكن من تجميع أكبر كمية ممكنة من الضوء و دفعها خلال الليف البصري و بالتالي تكون استطاعة الخرج للديود كافية لجعل الحساس الضوئي في الطرف الآخر من الليف يتحسس للشعاع المنقول مع مراعاة ليونة الليف و الطياعات في مناطق الإتصال و الممانعات الأخرى التي تؤثر على الشعاع في الليف، و بالرغم من هذه العوامل كلها تبقى ديودات الليزر آقوى من الليدات العادية و بالتالي استخدامها في الألياف البصرية أكثر فاعلية بكثير.

5 - السرعـة:

و نعني بالسرعة سرعة الإطفاء و الإشعال لديود الليزر و التي يجب أن تستطيع مجاراة عرض حزمة المعلومات التي ينقلها النظام و تتعلق السرعة بالزمن الذي يحتاجه الديود للإنتقال من 10% إلى 90% من الإستطاعة العظمى له، و مرة أخرى نجد أن ديود الليزر يتفوق على الليد في هذه العملية .

6 - الخطيــة:

تعتبر الخطية من الخصائص المهمة الواجب مراعاتها عند استعمال ديودات الليزر في الإتصالات و الملاحظ أن الخطية تمثل علاقة تيار الدخل ( التيار الأمامي ) باستطاعة الخرج للديود و هي تتعلق أيضا بدرجة الحرارة.

عند تصميم نظام رقمي للإتصالات باستخدام الألياف الضوئية فلا تعطى خطية العناصر أهيمة تذكر أما في التطبيقات التشابهية التي تعتمد على ديودات الليرز فيجب الإنتباه إلى خطية العناصر لأن عدم الخطية أو ضعفها يؤدي إلى عدم وصول المعلومات بشكل ملائم إلى الطرف الآخر من الليف.

7 - الحـــرارة:

تتأثر ديودات الليزر كغيرها من العناصر الإلكترونية بالحرارة حيث تتغير عتبة الإصدار و هي قيمة التيار التي يبدأ عندها الديود بإصدار إشعاع الليزر، فند تغير درجة الحرارة يمكن أن تحدث عدة عوامل منها :

- تغير عتبة التيار: حيث كلما انخفضت درجة الحرارة كلما انخفضت عتبة التيار.

- تغير ميل منحني الكفاءة : و الذي هو نفس المنحني السابق و الذي يعبر عن تغير الإستطاعة مع تغير شدة التيار، حيث يقل هذا الميل كلما ارتفعت درجة الحرارة .

و لهذا يتطلب الليزر الحفاظ على تيار العتبة عند قيمة معينة و يتم ذلك باستخدام ديود مستقبل للضوء حيث يعمل التيار المتولد عنه على تأمين تغذية عكسية لديود الليزر و بالتالي الحفاظ على عتبة الإصدار عند قيمة معينة عن طريق التحكم بالتيار الأمامي للديود.

ان الخطية في ديود الليزر من اللميزات التي تجعله أفضل من الليد العادي في التطبيقات التشابهية حيث نلاحظ أن منحني الكفاءة ( الإستطاعة الضوئية بالنسبة للتيار) يصبح ذو ميل أقل كلما ازداد التيار الأمامي للديود و بالتالي يفقد الليد خطيته و لذلك فهو لا يصلح لتطبيقات التشابهية.