Инжекционные полупроводниковые лазеры

Инжекционными называют такие полупроводниковые лазеры (лазеры на основе полупроводникового кристалла), которые для накачивания используют инжекцию в соседние участки неосновных для них избыточных носителей через прямо смещенный p-n-переход.

Назначения. Инжекционные полупроводниковые лазеры предназначены для генерирования когерентного оптического излучения.

Классификация. Инжекционные полупроводниковые лазеры классифицируют за типом переходов. Различают лазеры, изготовленные на гомо- и гетеропереходах. Как известно, гомопереходы возникают на границе раздела двух одинаковых полупроводников с одинаковой шириной запрещенной зоны, но разным типом проводимости, в то время как гетеропереходы возникают на границе раздела двух различных полупроводников с различной шириной запрещенной зоны и не обязательно с разным типом проводимости. Лазеры на гетеропереходах классифицируют еще за количеством гетероструктур. Выделяют лазеры с одной, двумя, тремя и более гетероструктурами. Инжекционные полупроводниковые лазеры классифицируют за размерами активного участка — слоя полупроводника, в котором происходит
излучательная рекомбинация. Различают лазеры со значительным по размерам активным участком (площадь поперечного сечения больше за 1 мкм2) и малым (нитевидным) активным участком (площадь поперечного сечения < 1 мкм2). Еще применяют классификацию по характеру обратной связи. Выделяют приборы с сосредоточенной и распределенной обратной связью.

Условные изображения и обозначения. На схемах инжекционные полупроводниковые лазеры изображают так, как показано на рис 1. В условное обозначение в текстах инжекционных полупроводниковых лазеров входит название функциональнного устройства, его вид, номер разработки, особенности конструкции.

Строение. Инжекционный полупроводниковый лазер на p-n-переходе представляет собой полупроводниковый диод, изготовленный из прямозонных полупроводников, две плоскопараллельные грани которого перпендикулярны плоскости p-n-перехода и служат зеркалами оптического резонатора (рис. 2). Как известно, прямозонными называют полупроводники, в которых максимум валентной зоны расположен напротив минимума зоны проводимости. К ним относятся большинство соединений %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9.

Условное изображение инжекционного полупроводникового лазера

Рис. 1. Условное изображение инжекционного полупроводникового лазера

Инжекционный полупроводниковый лазер

Рис. 2. Инжекционный полупроводниковый лазер

Активный участок простирается вдоль оси кристалла от одного зеркала к другому. Вместе с зеркалами она образует оптический резонатор. Диоды, которые имеют оптический резонатор, образуют лазерный
прибор, который генерирует когерентный свет, а диоды, которые не имеют оптического резонатора (в которых отсутствуют зеркальные плоскопараллельные грани), фактически представляют собой инжекционные диоды, излучающие некогерентный свет. Когерентным, как известно, называют такой свет, у которого колебания всех излучающих атомов согласованные во времени с частотой, фазой и
направлением поляризации. На практике распространены полупроводниковые гетеролазеры, потому они концентрируют световой поток в меньшей по размерам активным участке. Прямозонные полупроводники, из которых изготавливают гетеропереходы, при различном химическом составе должны иметь одинаковый период кристаллической решетки. Используют многокомпонентные твердые растворы. Например, в гетеролазеры на основе твердого раствора %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 лазерную гетерострукгуру составляют слои, которые показаны на рис. 3.

Структура гетеролазера с двусторонней гетероструктурой

Рис. 3. Структура гетеролазера с двусторонней гетероструктурой на основе Al Ga As. Пунктиром показано расположение активного участка

В них активный участок размещен посередине кристалла между двумя гетеропереходами. Для изготовления гетеролазеров, кроме двусторонней гетероструктуры, приведенной на рис. 3 используют
еще двойные гетероструктуры, одна из которых приведена на рис. 4.

Строение инжекционного полупроводникового лазера с двойной гетероструктурой

Рис. 4. Строение инжекционного полупроводникового лазера с двойной гетероструктурой

Работа. Для того, чтобы произошло генерирования когерентного светового излучения, необходимы три функциональные узлы: активная среда, которое генерирует и усиливает свет, устройство для его возбуждения (накачки) оптический резонатор, который создает положительную обратную связь. Взаимодействие этих функциональных узлов в определенной мере иллюстрирует рис. 5.

Схема работы (а) и зонная диаграмма (б) полупроводникового инжекционного лазера

Рис. 5. Схема работы (а) и зонная диаграмма (б) полупроводникового инжекционного лазера

При подаче прямого смещения на р-n-переход энергия носителей растет, а потенциальные барьеры для них снижаются. В результате возникает инжекция избыточных носителей в соседний участок. Рабочее напряжение %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 выбирают из условия %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9

В гетеролазерах выполнению этого условия способствует разная ширина запрещенной зоны элементов гетероструктуры. Вследствие инжекции происходит инверсное заселение энергетических уровней, во время которого избыточные электроны занимают верхние уровни над дном зоны проводимости, а избыточные дырки — нижние уровни под вершиной валентной зоны. Энергетические диаграммы гетероструктур характеризуются различными величинами потенциальных барьеров для встречных потоков дырок и электронов, приводит к односторонней инжекции носителей с широкозонного эмиттера в
узкозонную базу. Более того, наблюдается «суперинжекция», которая заключается в том, что концентрация инжектированных в базу носителей может на несколько порядков превышать свое равновесное значение в эмиттерной области. В следующий момент избыточные высокоэнергетические (возбужденые) электроны возвращаются из зоны проводимости в валентную зону, где они рекомбинируют с
дырками, излучая кванты световой энергии. В гетероструктуре оптические свойства эмиттера и базы разные. Широкозонный эмиттер слабо поглощает свет, который генерируется узкозонной базой, вместе с большей его оптической плотностью ведет к концентрации в нем световой энергии. Сложившаяся таким способ световая волна распространяется в направлении зеркальных граней кристалла и, отражаясь от них, многократно проходит активный участок, в результате чего усиливается. Усиленный световой поток, во-первых, возбуждает избыточные носители, переводя их в соответствующие разрешенные зоны, чем обеспечивает положительную обратную связь. Во-вторых, он компенсирует потери световой энергии на поглощение. В-третьих, он обеспечивает выход остатков световой энергии за пределы кристалла.

Свойства. К важнейшим характеристикам инжекционных полупроводниковых лазеров относятся: весогабаритные показатели, мощность излучения %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9, порог генерации, КПД %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9, длина волны %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9, ширина спектральной линии %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9, угловое различия %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9. Основные эксплуатационные показатели — диапазон рабочих температур и долговечность.

Инжекционные полупроводниковые лазеры имеют малый вес и габариты, высокую компактность (минимальные размеры резонатора близки к 10 мкм). В отличии от других лазеров, в полупроводниковых генерирования связано не с отдельными дискретными уравнениями, а с межзонными переходами, поэтому их оптическое усиление значительное (%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9). Потери на отражение на выходах полупроводниковых инжекционных лазеров малые ( ≈1%), поэтому их КПД высокий (%d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9). Приборы имеют высокое быстродействие (время релаксации %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9). Они позволяют, выбирая материал, обеспечивать генерирование нужной спектральной линии. Для них характерна удобство возбуждения и простота отвода тепла, технологическая и параметрическая совместимость с ИМС.
Недостатками полупроводниковых инжекционных лазеров является низкая когерентность излучения, низкая температурная и радиационная стойкость, небольшая долговечность.

Применение. Основными областями применения полупроводниковых инжекционных лазеров является линии оптической связи, голография и тому подобное.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*