Semiconductor LASER Notes | Engineering Physics | RGPV BTech First Year

Semiconductor LASER

Semiconductor LASER आधुनिक Optical Communication Systems का सबसे महत्वपूर्ण Light Source है। इसे Laser Diode भी कहा जाता है। Semiconductor LASER का उपयोग Fiber Optic Communication, CD/DVD Players, Barcode Scanners, Optical Sensors तथा Telecommunication Networks में व्यापक रूप से किया जाता है।

यह LASER PN Junction Semiconductor Device पर आधारित होती है तथा Injection Pumping द्वारा Population Inversion प्राप्त करती है। आकार में छोटी, उच्च दक्षता वाली तथा कम Power Consumption के कारण Semiconductor LASER आधुनिक Electronics एवं Photonics Industry की रीढ़ मानी जाती है।

Introduction

Ruby LASER तथा He-Ne LASER के बाद Semiconductor Technology ने LASER Development को नई दिशा दी। Semiconductor LASER आकार में बहुत छोटी होती है और Electrical Energy को सीधे LASER Light में परिवर्तित कर सकती है।

इस प्रकार की LASER में Active Medium के रूप में Semiconductor Materials जैसे Gallium Arsenide (GaAs), Indium Phosphide (InP) आदि का उपयोग किया जाता है।

Definition

A Semiconductor LASER is a LASER device in which a semiconductor PN junction acts as the active medium and laser action is achieved through carrier injection.

वह LASER जिसमें PN Junction Semiconductor Active Medium के रूप में कार्य करता है तथा Carrier Injection द्वारा Population Inversion प्राप्त की जाती है, Semiconductor LASER कहलाती है।

Principle

Semiconductor LASER Stimulated Emission तथा Population Inversion के सिद्धांत पर कार्य करती है।

जब PN Junction में Forward Bias लगाया जाता है तब Electrons तथा Holes Active Region में Inject होते हैं।

इनका Recombination Photon उत्पन्न करता है। पर्याप्त Carrier Density पर Population Inversion प्राप्त होती है और Stimulated Emission प्रारंभ हो जाती है।

Construction of Semiconductor LASER

• P-Type Semiconductor Layer
• N-Type Semiconductor Layer
• Active Region
• Metal Contacts
• Optical Resonator
• Power Supply

PN Junction के दोनों सिरों को Highly Polished किया जाता है जिससे वे Reflecting Surfaces की तरह कार्य कर सकें।

Active Medium

Semiconductor LASER में सामान्यतः निम्न Materials उपयोग किए जाते हैं:

• Gallium Arsenide (GaAs)
• Gallium Aluminium Arsenide (GaAlAs)
• Indium Phosphide (InP)
• Indium Gallium Arsenide (InGaAs)

Injection Pumping

Semiconductor LASER में Injection Pumping का उपयोग किया जाता है।

Forward Bias लगाने पर:

• Electrons N Region से Active Region में आते हैं।
• Holes P Region से Active Region में आते हैं।
• Recombination होता है।
• Photons उत्पन्न होते हैं।

उच्च Carrier Density पर Population Inversion प्राप्त होती है।

Working of Semiconductor LASER

1. PN Junction पर Forward Bias लगाया जाता है।
2. Electrons एवं Holes Active Region में Inject होते हैं।
3. Carrier Recombination प्रारंभ होती है।
4. Photons उत्पन्न होते हैं।
5. Population Inversion प्राप्त होती है।
6. Stimulated Emission प्रारंभ होती है।
7. Optical Resonator में Amplification होती है।
8. LASER Beam Output प्राप्त होती है।

Energy Band Diagram

Semiconductor LASER में Electron Conduction Band से Valence Band में Transition करता है।

Energy Difference:

E = hν

इसी ऊर्जा के Photon का उत्सर्जन होता है।

Characteristics of Semiconductor LASER

• Small Size
• High Efficiency
• Low Power Consumption
• Direct Electrical Pumping
• High Modulation Speed
• Compact Construction
• Continuous Operation
• Low Cost Production

Advantages

• Very Small Size
• High Efficiency
• Low Operating Voltage
• Long Life
• Low Cost
• Easy Integration with Electronic Circuits
• High Reliability

Disadvantages

• Temperature Sensitive
• Output Power Limited
• Beam Divergence Higher Than Some LASERs
• Cooling Requirement in High Power Systems

Applications of Semiconductor LASER

• Fiber Optic Communication
• Optical Networks
• CD/DVD Drives
• Blu-ray Systems
• Barcode Scanners
• Laser Printers
• Medical Equipment
• Optical Sensors
• Military Systems
• LIDAR Technology

Industrial Importance

• Telecommunication Industry
• Fiber Optic Networks
• Consumer Electronics
• Medical Device Industry
• Defense Systems
• Photonics Industry
• Semiconductor Manufacturing
• Data Communication Industry

He-Ne LASER vs Semiconductor LASER

Viva Questions

1. Semiconductor LASER क्या है?
2. Laser Diode क्या होती है?
3. Semiconductor LASER का Active Medium क्या है?
4. Injection Pumping क्या है?
5. PN Junction का क्या कार्य है?
6. Population Inversion कैसे प्राप्त होती है?
7. GaAs क्या है?
8. Semiconductor LASER के अनुप्रयोग बताइए।
9. Fiber Optic Communication में इसका उपयोग क्यों किया जाता है?
10. He-Ne तथा Semiconductor LASER में अंतर बताइए।

Exam Oriented Important Questions

1. Semiconductor LASER का निर्माण एवं कार्यविधि समझाइए।
2. Injection Pumping का सिद्धांत समझाइए।
3. Semiconductor LASER का Energy Band Diagram बनाकर समझाइए।
4. Semiconductor LASER की विशेषताएँ लिखिए।
5. Semiconductor LASER के लाभ एवं सीमाएँ लिखिए।
6. Fiber Optic Communication में Semiconductor LASER की भूमिका स्पष्ट कीजिए।
7. Semiconductor LASER तथा He-Ne LASER में अंतर लिखिए।
8. Modern Communication Systems में Semiconductor LASER का महत्व समझाइए।

Conclusion

Semiconductor LASER आधुनिक Optical Communication Systems की सबसे महत्वपूर्ण LASER है। यह Injection Pumping तथा Stimulated Emission के सिद्धांत पर कार्य करती है। आकार में छोटी, कम लागत वाली तथा उच्च दक्षता वाली होने के कारण इसका उपयोग Fiber Optic Communication, Consumer Electronics, Medical Systems तथा Telecommunication Networks में व्यापक रूप से किया जाता है।