Расчет и проектирование полупроводникового лазера. Полупроводниковые лазеры

В лазерах этого типа активной средой является полупроводниковый кристалл. Наиболее распространенный способ накачки – пропускание через кристалл тока.

Полупроводниковый инжекционный лазер представляет собой двухэлектродный прибор с p-n- переходом (поэтому часто используется термин «лазерный диод»), в котором генерация когерентного излучения связана с инжекцией носителей заряда при протекании прямого тока через p-n- переход.

Активная среда инжекционного лазера (рис. 3.23) размещена в тонком прямоугольном параллелепипеде, расположенном между р и n слоями полупроводниковой структуры; толщина d активной области около 1 мкм. Полированные или сколотые торцы кристалла (шириной w ), выполненные оптически плоскими и строго параллельными, в такой конструкции действуют как оптический резонатор (аналог резонатора Фабри-Перо). Коэффициент отражения оптического излучения на полированных плоскостях кристалла достигает 20-40%, что обеспечивает необходимую положительную обратную связь без применения дополнительных технических средств (специальных зеркал или отражателей). Однако боковые грани кристалла имеют шероховатую поверхность, что уменьшает отражение оптического излучения от них.

Рисунок 3.23 – Конструкция полупроводникового лазера

Накачка активной среды в лазерном диоде обеспечивается внешним электрическим смещением р-n - перехода в прямом направлении. При этом через р-n - переход протекает значительный ток I лд и достигается интенсивная инжекция возбужденных носителей заряда в активную среду полупроводникового лазера. В процессе рекомбинации инжектированных электронов и дырок излучаются кванты света (фотоны).

Лазерные колебания возбуждаются и генерируются, если усиление фотонов в активной среде превышает потери оптического излучения, связанные с частичным выводом, рассеянием и поглощением фотонов. Коэффициент усиления фотонов в активной среде полупроводникового лазера оказывается значительным только при интенсивной инжекции заряда. Для этого необходимо обеспечить достаточно большой электрический ток I лд .

Чтобы систему с активным веществом превратить в генератор, необходимо создать положительную обратную связь, то есть часть усиленного выходного сигнала нужно возвратить в кристалл. Для этого в лазерах используются оптические резонаторы. В полупроводниковом лазере роль резонатора выполняют параллельные грани кристалла, создаваемые методом скола.

Кроме того, необходимо обеспечить электрическое, электронное и оптическое ограничения. Суть электрического ограничения состоит в том, чтобы максимальная доля пропускаемого через структуру электрического тока проходила через активную среду. Электронное ограничение – это сосредоточение всех возбужденных электронов в активной среде и принятие мер против их расплывания в пассивные области. Оптическое ограничение должно предотвратить растекание светового луча при его многократных проходах через кристалл и обеспечить удержание лазерного луча в активной среде. В полупроводниковых лазерах это достигается за счет того, что зона удержания луча характеризуется несколько большим значением показателя преломления, чем соседние области кристалла, – вследствие этого возникает волноводный эффект самофокусировки луча. Неодинаковость показателей преломления достигается различием в характере и степени легирования зон кристалла, включая использование гетероструктур.

При рекомбинации свободных электронов и дырок в полупроводниках освобождается энергия, которая может сообщаться кристаллической решетке (переходить в тепло) или излучаться в виде квантов света (фотонов). Для полупроводниковых лазеров принципиально важным является испускание фотонов (излучательная рекомбинация). В кремниевых и германиевых полупроводниках доля рекомбинационных актов, вызывающих излучение фотонов, весьма невелика; такие полупроводники по существу непригодны для лазеров.

Иначе протекают рекомбинационные процессы в бинарных (двойных) полупроводниках типа А 3 В 5 (а также А 2 В 6 и А 4 В 6), где в определенных, технически совершенных условиях доля излучательной рекомбинации приближается к 100%. Такие полупроводники являются прямозонными; возбужденные электроны проходят запрещенную зону, теряя энергию и излучая фотоны напрямую, не изменяя импульса и направления движения, без дополнительных стимулирующих условий и средств (промежуточных энергетических уровней и тепловых воздействий). Вероятность прямых излучательных переходов оказывается наиболее высокой.

Среди бинарных соединений типа А 3 В 5 в качестве лазерных материалов доминируют кристаллы арсенида галлия GaAs. Расширение физических и технических возможностей полупроводниковых лазеров обеспечивают твердые растворы арсенида галлия, в которых атомы дополнительных элементов (алюминия – Al, индия – In, фосфора – Р, сурьмы – Sb) смешаны и жестко фиксированы в общей кристаллической решетке базовой структуры. Распространение получили тройные соединения: арсенид галлия–алюминия Ga 1–x Al x As, арсенид индия–галлия In x Ga 1–x As, арсенид–фосфид галлия GaAs 1–x P x , арсенид–антимонид галлия GaAs x Sb 1–x и четверные соединения: Ga x In 1–x Asy P 1–y , Al x Ga 1–x Asy Sb 1–y . Содержание (х или у ) конкретного элемента в твердом растворе задано в пределах 0<х <1, 0<у <1.

Эффективно излучающими прямозонными полупроводниками являются двойные соединения А 3 В 5 (InAs, InSb, GaSb), A2B6 (ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, CdS, CdTe, CdSe), группа (PbS, PbSe, PbTe) и твердые растворы (Zn 1–x Cd x S, CdS 1–x Se x , PbS 1–x Se x , Pb x Sn 1–x Te).

Длина волны излучения полупроводникового лазера достаточно жестко связана с шириной запрещенной зоны, которая, в свою очередь, четко определяется физическими свойствами конкретного полупроводникового соединения. Варьируя состав лазерного материала, можно изменять ширину запрещенной зоны и, как следствие, длину волны лазерного излучения.

Инжекционные лазеры имеют следующие достоинства:

сверхминиатюрность: теоретическая минимальная длина резонатора близка к 10 мкм, а площадь его поперечного сечения – к 1 мкм 2 ;

высокий КПД преобразования энергии накачки в излучение, приближающийся у лучших образцов к теоретическому пределу; это обусловлено тем, что лишь при инжекционной накачке удается исключить нежелательные потери: вся энергия электрического тока переходит в энергию возбужденных электронов;

удобство управления - низкие напряжения и токи возбуждения, совместимые с интегральными микросхемами; возможность изменения мощности излучения без применения внешних модуляторов; работа как в непрерывном, так и в импульсном режиме с обеспечением при этом очень высокой скорости переключения (в пикосекундном диапазоне).

Управление полупроводниковыми лазерами (лазерными диодами) обеспечивается схемотехническими средствами и потому оказывается относительно несложным. Мощность излучения Ризл полупроводникового лазера (рис. 3.24) зависит от инжекционного тока Iлд (тока возбуждения) в активной зоне лазерного диода (ЛД). При небольших уровнях тока Iлд полупроводниковый лазер действует как светодиод и генерирует некогерентное оптическое излучение небольшой мощности. При достижении порогового уровня тока Iлд оптические колебания в лазерном резонаторе генерируются, становятся когерентными; резко возрастает мощность излучения Ризл . Однако генерируемая мощность Ризл и в этом режиме пропорциональна уровню тока Iлд . Таким образом, возможности изменения (переключения, модуляции) мощности излучения полупроводникового лазера прямо связаны с целенаправленным изменением инжекционного тока Iлд .

В импульсном режиме действия лазерного диода его рабочая точка М (рис.3.24а ) фиксируется на пологом участке ватт­амперной характеристики Ризл = (Iлд ) в предпороговой области лазера. Резкое увеличение тока Iлд переводит рабочую точку на крутой участок характеристики (например, в положение N ), что гарантирует возбуждение и интенсивный рост мощности лазерных колебаний. Спад тока Iлд и перевод рабочей точки лазера в исходное положение М обеспечивают срыв лазерных колебаний и резкое снижение выходной мощности лазерного излучения.

В аналоговом режиме модуляции лазерных колебаний рабочая точка Q фиксируется на крутом участке ватт­амперной характеристики (рис. 3.24б ). Изменение тока Iлд под действием внешнего информационного сигнала приводит к пропорциональному изменению выходной мощности полупроводникового лазера.

Рисунок 3.24 – Диаграммы управления мощностью излучения полупроводникового лазера в режимах цифровой (а) и аналоговой (б) модуляции

Инжекционным лазерам присущи и недостатки, к наиболее принципиальным из которых можно отнести:

Невысокую когерентность излучения (в сравнении, например, с газовыми лазерами) - значительную ширину спектральной линии;

Большую угловую расходимость;

Асимметрию лазерного пучка.

Асимметрия лазерного луча объясняется явлением дифракции, из­за которой световой поток, излучаемый прямоугольным резонатором, расширяется неодинаково (рис. 3.25а ): чем у же торец резонатора, тем больше угол излученияθ. В полупроводниковом лазере толщина d резонатора заметно меньше его ширины w; поэтому угол излучения θ|| в горизонтальной плоскости (рис. 3.25б ) меньше угла θ 1 в вертикальной плоскости (рис. 3.25в ), а луч полупроводникового лазера имеет эллиптическое сечение. Обычно θ || ≈ 10­15°, a θ 1 ≈ 20-40°, что явно больше, чем у твердотельных и, особенно, газовых лазеров.

Рисунок 3.25 – Рассеяние оптического излучения полупроводникового лазера

Для устранения асимметрии эллиптический гауссов пучок света с помощью скрещенных цилиндрических линз (рис. 3.9) преобразуют в пучок круглого сечения.

Рисунок 3.26 – Преобразование эллиптического гауссова светового пучка в круговой с помощью скрещенных цилиндрических линз

В допечатных процессах лазерные диоды нашли чрезвычайно широкое применение В качестве источников экспонирующего излучения во многих фотовыводных и формовыводных устройствах, а также в цифровых печатных машинах.

Как правило, лазерное излучение поступает на экспонируемый материал от лазерного диода через оптиковолоконные световоды. Для оптимального оптического согласования полупроводниковых лазеров и волоконных световодов используются цилиндрические, сферические и стержневые (градиентные) линзы.

Цилиндрическая линза (рис. 3.27а ) позволяет преобразовать сильно вытянутый эллипс пучка лазерного излучения и придать ему на входе в волоконный световод почти круглое сечение. При этом эффективность ввода лазерного излучения в многомодовый световод достигает 30%.

Рисунок 3.27 – Применение цилиндрической (а) и сферической (б) линз для оптического согласования полупроводникового лазера и волоконного световода

Сферическая линза (рис. 3.27б ) обеспечивает преобразование расходящихся лучей лазерного излучения в параллельный пучок света значительного диаметра, что заметно облегчает дальнейшее преобразование и оптимальный ввод оптического излучения.

Эффективным элементом такого преобразования и ввода является стержневая (градиентная) линза, которая фокусирует излучение в пучок, сходящийся под необходимым (относительно небольшим) углом с числовой апертурой волоконного световода. Стержневые линзы имеют цилиндрическую форму с плоскими торцами для ввода оптического излучения. В стержневой (градиентной) линзе, как и в градиентном оптическом волокне, коэффициент преломления не является постоянным, а уменьшается пропорционально квадрату расстояния: от центральной оси (то есть пропорционально квадрату радиуса). Однако, в отличие от градиентного световода, у градиентной линзы большой диаметр (1­2 мм) и нет оболочки.

На рис. 3.28а показаны траектории светового пучка в градиентной линзе, в которую вводится параллельный пучок, далее изменяется и продвигается по синусоидальной траектории. Такая траектория распространения света имеет период (шаг)

где g - параметр, определяющий распределение показателя преломления (и, как следствие, степень фокусировки) линзы.

Создавая (вырезая) градиентный стержень определенной длины L , можно четко сформировать определенные фокусирующие свойства линзы. Если L = Lр /2, то падающий параллельный пучок света можно сфокусировать в объеме линзы, а затем вывести его вновь в виде параллельного пучка.

Градиентная линза длиной L = Lp /4 фокусирует параллельный пучок света в пятно небольшого диаметра (рис. 3.28б ), что эффективно при вводе пучка оптического излучения значительного диаметра в волоконный световод с небольшой числовой апертурой.

Формируя градиентную линзу длиной L ≤ Lp /2 в техническом варианте, представленном на рис. 3.28в , можно успешно согласовать по оптическому каналу полупроводниковый лазер и волоконный световод

Рисунок 3.28 – Применение стержневых линз для ввода и вывода оптического излучения

В системах CtP обычно используются диоды малой мощности. Однако при их объединении в группы суммарная мощность системы может достигать сотен ватт при КПД 50%. Обычно полупроводниковые лазеры не требуют применения специальных систем охлаждения. Интенсивное водяное охлаждение используется только в устройствах повышенной мощности.

Главным недостатком полупроводниковых лазеров является неодинаковое распределение энергии по сечению лазерного луча. Однако, благодаря хорошему соотношению цены и качества, полупроводниковые лазеры стали в последнее время наиболее востребованным видом источников экспонирующего излучения в CtP-системах.

Широко применяются сегодня инфракрасные диоды с длиной волны 670 и 830 нм. Среди устройств, оснащенных ими - Lotem и Trendsetter (Creo); PlateRite (Dainippon Screen); Topsetter (Heidelberg); XPose! (Luscher); Dimension (Presstek). Для повышения производительности устройств экспонирование осуществляется матрицей диодов. Минимальный размер точки обычно лежит в пределах 10-14 мкм. Однако малая глубина резкости ИК-диодов требует применения дополнительных операций по коррекции луча. Из достоинств ИК-диодов можно отметить возможность загрузки пластин при дневном свете.

В последнее время во многих моделях CtP-устройств используется фиолетовый лазерный диод с длиной волны 405 нм. Полупроводниковый фиолетовый лазер применяется в промышленности сравнительно недавно. Его внедрение связано с разработкой технологии DVD. Достаточно быстро новый источник излучения стал применяться в системах Computer-to-Plate. Фиолетовые лазерные диоды дешевы, долговечны и имеют достаточную для воздействия на копировальные слои пластин энергию излучения. Однако из-за коротковолновой эмиссии лазер очень прихотлив в работе, а на качество записи большое влияние оказывают качество поверхности печатной пластины и состояние оптики. Пластины для экспонирования фиолетовым лазером можно загружать при желтом освещении. В настоящее время фиолетовый лазер используется в следующих устройствах: Palladio (Agfa); Mako 2 (ECRM); Luxel V/Vx (FujiFilm); Prosetter (Heidelberg); PlateDriver (Esko-Graphics).

Применение длинноволновых полупроводниковых и светодиодных источников заметно упрощает схему построения ФНА. Однако эти источники имеют малую мощность, а это приводит к получению «мягкой» точки, площадь которой при копировании па формпый материал уменьшается. Длина волны этих лазеров - от 660 нм (красные) до 780 нм (инфракрасные).

Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение

Курсовое проектирование
на тему:
«Полупроводниковый лазер»

Выполнил:
студент гр. РЭБ-310
Васильев В.Ф.

Проверил:
доцент, к.т.н. Шкаев А.Г.

Омск 2012
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Омский государственный технический университет»
Кафедра «Технология электронной аппаратуры»
Специальность 210100.62 – «Промышленная электроника»

Задание
На курсовое проектирование по дисциплине
«Твердотельная электроника»
Студент группы РЭБ-310 Васильев Василий Федотович

Тема проекта: «Полупроводниковый лазер»
Срок сдачи законченного проекта - 15 неделя 2012 г.

Содержание курсового проекта:

Пояснительная записка.
Графическая часть.

Содержание расчетно- пояснительной записки:
Техническое задание.
Аннотация.
Содержание.
Введение.

Классификация
Принцип действия
Зонные диаграммы в равновесном состоянии и при внешнем смещении.
Аналитическое и графическое представление вольтамперной характеристики светодиодов.
Выбор и описание работы типовой схемы включения
Расчёт элементов выбранной схемы.

Заключение.
Библиографический список.
Приложение.

Дата выдачи задания 10 сентября 2012 г.
Руководитель проекта _________________Шкаев А.Г.

Задание принято к исполнению 10 сентября 2012 г.
Студент группы РЭБ-310 _________________ Васильев В.Ф.

Аннотация

В данной курсовой работе рассмотрены принцип работы, устройство и область применения полупроводниковых лазеров.
Полупроводниковый лазер - твердотельный лазер, в котором в качестве рабочего вещества используется полупроводник.
Курсовая работа выполнена на листах формата А4, в количестве 17 стр. Содержит 6 рисунков и 1 таблицу.

Введение
1. Классификация
2. Принцип действия
3. Зонные диаграммы в равновесном состоянии и при внешнем смещении
4. Аналитическое и графическое представление вольтамперной характеристики
5. Выбор и описание работы типовой схемы включения
6. Расчёт элементов выбранной схемы
7. Заключение
8. Библиографический список
9. Приложение

Введение
В данной курсовой работе будет рассмотрен принцип работы, устройство и область применения полупроводниковых лазеров.
Термин «лазер» появился сравнительно недавно, а кажется, что существует он давным-давно, так широко он вошел в обиход. Появление лазеров одно из самых замечательных и впечатляющих достижений квантовой электроники, принципиально нового направления в науке, возникшего в середине 50-х годов.
Лазер (англ. laser, акроним от англ. light amplification by stimulated emission of radiation - усиление света посредством вынужденного излучения), оптический квантовый генератор - устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения
Впервые генераторы электромагнитного излучения, использующие механизм вынужденного перехода, были созданы в 1954 г. советскими физиками А.М. Прохоровым и Н.Г. Басовым и американским физиком Ч.Таунсом на частоте 24 ГГц. Активной средой служил аммиак.
Первый квантовый генератор оптического диапазона был создан Т.Мейманом (США) в 1960 г. Начальные буквы основных компонентов английской фразы “ LightAmplificationbystimulated emissionofradiation” (Усиление света с помощью индуцированного излучения) и образовали название нового прибора – лазер. В качестве источника излучения в нём использовался кристалл искусственного рубина, генератор работал в импульсном режиме. Год спустя появился первый газовый лазер с непрерывным излучением (Джаван, Беннет, Эриот - США). А ещё через год одновременно в СССР и США был создан полупроводниковый лазер.
Главная причина стремительного роста внимания к лазерам кроется, прежде всего, в исключительных свойствах этих приборов.
Уникальные свойства лазера:
монохроматичность (строгая одноцветность),
высокая когерентность (согласованность колебаний),
острая направленность светового излучения.
Существует несколько видов лазеров:
полупроводниковые
твердотельные
газовые
рубиновые

Классификация

Лазеры на двойной гетероструктуре
В этих устройствах, слой материала с более узкой запрещённой зоной располагается между двумя слоями материала с более широкой запрещённой зоной. Чаще всего для реализации лазера на основе двойной гетероструктуры используют арсенид галлия (GaAs) и арсенид алюминия-галлия (AlGaAs). Каждое соединение двух таких различных полупроводников называется гетероструктурой, а устройство - «диод с двойной гетероструктурой» (ДГС). В англоязычной литературе используются названия «double heterostructure laser» или «DH laser». Описанная в начале статьи конструкция называется «диод на гомопереходе» как раз для иллюстрации отличий от данного типа, который сегодня используется достаточно широко.
Преимущество лазеров с двойной гетероструктурой состоит в том, что область сосуществования электронов и дырок («активная область») заключена в тонком среднем слое. Это означает, что много больше электронно-дырочных пар будут давать вклад в усиление - не так много их останется на периферии в области с низким усилением. Дополнительно, свет будет отражаться от самих гетеропереходов, то есть излучение будет целиком заключено в области максимально эффективного усиления.

Диод с квантовыми ямами
Если средний слой диода ДГС сделать ещё тоньше, такой слой начнёт работать как квантовая яма. Это означает, что в вертикальном направлении энергия электронов начнёт квантоваться. Разница между энергетическими уровнями квантовых ям может использоваться для генерации излучения вместо потенциального барьера. Такой подход очень эффективен с точки зрения управления длиной волны излучения, которая будет зависеть от толщины среднего слоя. Эффективность такого лазера будет выше по сравнению с однослойным лазером благодаря тому, что зависимость плотности электронов и дырок, участвующих в процессе излучения, имеет более равномерное распределение.

Гетероструктурные лазеры с раздельным удержанием
Основная проблема гетероструктурных лазеров с тонким слоем - невозможность эффективного удержания света. Чтобы преодолеть её, с двух сторон кристалла добавляют ещё два слоя. Эти слои имеют меньший коэффициент преломления по сравнению с центральными слоями. Такая структура, напоминающая световод, более эффективно удерживает свет. Эти устройства называются гетероструктурами с раздельным удержанием («separate confinement heterostructure», SCH)
Большинство полупроводниковых лазеров, произведённых с 1990-го года, изготовлены по этой технологии.

Лазеры с распределённой обратной связью
Лазеры с распределённой обратной связью (РОС) чаще всего используются в системах многочастотной волоконно-оптической связи. Чтобы стабилизировать длину волны, в районе p-n перехода создаётся поперечная насечка, образующая дифракционную решётку. Благодаря этой насечке, излучение только с одной длиной волны возвращается обратно в резонатор и участвует в дальнейшем усилении. РОС-лазеры имеют стабильную длину волны излучения, которая определяется на этапе производства шагом насечки, но может незначительно меняться под влиянием температуры. Такие лазеры - основа современных оптических телекоммуникационных систем.

VCSEL
VCSEL - «Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором» - полупроводниковый лазер, излучающий свет в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла, в отличие от обычных лазерных диодов, излучающих в плоскости, параллельной поверхности.

VECSEL
VECSEL - «Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным внешним резонатором». Аналогичен по своему устройству VCSEL, но имеющий внешний резонатор. Может исполняться как с токовой, так и с оптической накачкой.

Принцип действия

Когда на анод обычного диода подаётся положительный потенциал, то говорят, что диод смещён в прямом направлении. При этом дырки из p-области инжектируются в n-область p-n перехода, а электроны из n-области инжектируются в p-область полупроводника. Если электрон и дырка оказываются «вблизи» (на расстоянии, когда возможно туннелирование), то они могут рекомбинировать с выделением энергии в виде фотона определённой длины волны (в силу сохранения энергии) и фонона (в силу сохранения импульса, потому что фотон уносит импульс). Такой процесс называется спонтанным излучением и является основным источником излучения в светодиодах.
Однако, при определённых условиях, электрон и дырка перед рекомбинацией могут находиться в одной области пространства достаточно долгое время (до микросекунд). Если в этот момент через эту область пространства пройдёт фотон нужной (резонансной) частоты, он может вызвать вынужденную рекомбинацию с выделением второго фотона, причём его направление, вектор поляризации и фаза будут в точности совпадать с теми же характеристиками первого фотона.
В лазерном диоде полупроводниковый кристалл изготавливают в виде очень тонкой прямоугольной пластинки. Такая пластинка по сути является оптическим волноводом, где излучение ограничено в относительно небольшом пространстве. Верхний слой кристалла легируется для создания n-области, а в нижнем слое создают p-область. В результате получается плоский p-n переход большой площади. Две боковые стороны (торцы) кристалла полируются для образования гладких параллельных плоскостей, которые образуют оптический резонатор, называемый резонатором Фабри-Перо. Случайный фотон спонтанного излучения, испущенный перпендикулярно этим плоскостям, пройдёт через весь оптический волновод и несколько раз отразится от торцов, прежде чем выйдет наружу. Проходя вдоль резонатора, он будет вызывать вынужденную рекомбинацию, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами, и излучение будет усиливаться (механизм вынужденного излучения). Как только усиление превысит потери, начнётся лазерная генерация.
Лазерные диоды могут быть нескольких типов. У основной их части слои сделаны очень тонкими, и такая структура может генерировать излучение только в направлении, параллельном этим слоям. С другой стороны, если волновод сделать достаточно широким по сравнению с длиной волны, он сможет работать уже в нескольких поперечных режимах. Такой диод называется многомодовым (англ. «multi-mode»). Применение таких лазеров возможно в тех случаях, когда от устройства требуется высокая мощность излучения, и не ставится условие хорошей сходимости луча (то есть допускается его значительное рассеивание). Такими областями применений являются: печатающие устройства, химическая промышленность, накачка других лазеров. С другой стороны, если требуется хорошая фокусировка луча, ширина волновода должна изготавливаться сравнимой с длиной волны излучения. Здесь уже ширина луча будет определяться только пределами, накладываемыми дифракцией. Такие устройства применяются в оптических запоминающих устройствах, лазерных целеуказателях, а также в волоконной технике. Следует, однако, заметить, что такие лазеры не могут поддерживать несколько продольных режимов, то есть не могут излучать на разных длинах волн одновременно.
Длина волны излучения лазерного диода зависит от ширины запрещённой зоны между энергетическими уровнями p- и n-областей полупроводника.
В связи с тем, что излучающий элемент достаточно тонок, луч на выходе диода, благодаря дифракции, практически сразу расходится. Для компенсации этого эффекта и получения тонкого луча необходимо применять собирающие линзы. Для многомодовых широких лазеров наиболее часто применяются цилиндрические линзы. Для одномодовых лазеров, при использовании симметричных линз, сечение луча будет эллиптическим, так как расхождение в вертикальной плоскости превышает расхождение в горизонтальной. Нагляднее всего это видно на примере луча лазерной указки.
В простейшем устройстве, которое было описано выше, невозможно выделить отдельную длину волны, исключая значение, характерное для оптического резонатора. Однако в устройствах с несколькими продольными режимами и материалом, способным усиливать излучение в достаточно широком диапазоне частот, возможна работа на нескольких длинах волн. Во многих случаях, включая большинство лазеров с видимым излучением, они работают на единственной длине волны, которая, однако обладает сильной нестабильностью и зависит от множества факторов - изменения силы тока, внешней температуры и т. д. В последние годы описанная выше конструкция простейшего лазерного диода подвергалась многочисленным усовершенствованиям, чтобы устройства на их основе могли отвечать современным требованиям.

Зонные диаграммы в равновесном состоянии и при внешнем смеще нии

Когда прямое смещение на p-n переходе достаточно велико, чтобы позволить электро-
нам распространяться по зоне проводимости (или дыркам по валентной зоне), имеет место инжекционный характер протекания тока (см. рис 1).

Рис. 1: Зонная диаграмма p-n перехода: а) без смещения, б) при положительном смещении.
С целью уменьшения пороговой плотности тока были реализованы лазеры на гетероструктурах (с одним гетеропереходом – n-GaAs–pGe, p-GaAs–nAlxGa1-xAs; c двумя гетеропереходами – n-AlxGa1-xAs – p-GaAs – p+-AlxGa1-xAs. Использование гетероперехода позволяет реализовать одностороннюю инжекцию при слаболегированном эмиттере лазерного диода и существенно уменьшить пороговый ток. Схематично одна из типичных конструкций такого лазера с двойным гетеропереходом изображена на рисунке 1. В структуре с двумя гетеропереходами носители сосредоточены внутри активной области d, ограниченной с обеих сторон потенциальными барьерами; излучение также ограничено этой областью вследствие скачкообразного уменьшения показателя преломления за ее пределы. Эти ограничения способствуют усилению стимулированного излучения и соответственно уменьшению пороговой плотности тока. В области гетероперехода возникает волноводный эффект, и излучение лазера происходит в плоскости, параллельной гетеропереходу.

Рис.1
Зонная диаграмма (а, б, в) и структура (г) полупроводникового лазера на двойном гетеропереходе
а) чередование слоев в лазерной двойной n–p–p+ гетероструктуре;
б) зонная диаграмма двойной гетероструктуры при нулевом напряжении;
в) зонная диаграмма лазерной двойной гетероструктуры в активном режиме генерации лазерного излучения;
г) приборная реализация лазерного диода Al0,3Ga0,7As (p) – GaAs (p) и GaAs (n) – Al0,3Ga0,7As (n), активная область – слой из GaAs (n)
Активная область представляет собой слой n-GaAs толщиной всего 0,1–0,3 мкм. В такой структуре удалось снизить пороговую плотность тока почти на два порядка (~ 103 А/см2) по сравнению с устройством на гомопереходе. В результате чего лазер получил возможность работать в непрерывном режиме при комнатной температуре. Уменьшение пороговой плотности тока происходит из-за того, что опт
и т.д.................

Полупроводниковые инжекционные лазеры, так же, как и другой тип твердотельных излучателей – светодиоды, являются важнейшим элементом любой оптоэлектронной системы. В основе работы того и другого приборов лежит явление электролюминесценции. Применительно к вышеуказанным полупроводниковым излучателям, механизм электролюминесценции реализуется путем излучательной рекомбинации неравновесных носителей заряда, инжектированных через p-n переход.

Первые светодиоды появились на рубеже 50-х и 60-х годов ХХ века, а уже в 1961 г. Н.Г. Басов, О.Н. Крохин и Ю.М. Попов предложили использовать инжекцию в вырожденных p-n переходах для получения лазерного эффекта. В 1962 г. американским физикам Р. Холлу и сотр. удалось зарегистрировать сужение спектральной линии излучения полупроводникового светодиода, что было интерпретировано как проявление лазерного эффекта («сверхизлучение»). В 1970 г. российскими физиками – Ж.И. Алферовым с сотр. были изготовлены первые лазеры на гетероструктурах. Это позволило сделать приборы пригодными для массового серийного выпуска, что было в 2000 г. отмечено Нобелевской премией по физике. В настоящее время полупроводниковые лазеры получили самое широкое распространение в основном в устройствах для записи и считывания информации с компьютерных, аудио- и видео- компакт-дисков. Основными достоинствами полупроводниковых лазеров являются:

1. Экономичность, обеспечиваемая высокой эффективностью преобразования энергии накачки в энергию когерентного излучения;

2. Малая инерционность, обусловленная короткими характеристическими временами установления режима генерации (~ 10 -10 c);

3. Компактность, связанная со свойством полупроводников обеспечивать огромное оптическое усиление;

4. Простое устройство, низковольтное питание, совместимость с интегральными микросхемами («микрочипами»);

5. Возможность плавной перестройки длины волны в широком диапазоне вследствие зависимости оптических свойств полупроводников от температуры, давления и т.д.

Главной особенностью полупроводниковых лазеров является использование в них оптических переходов с участием уровней энергии (энергетических состояний) основных электронных энергетических зон кристалла. В этом отличие полупроводниковых лазеров от, например, рубиновых лазеров, где используются оптические переходы между примесными уровнями иона хрома Cr 3+ в Al 2 O 3 . Для применения в полупроводниковых лазерах наиболее подходящими оказались полупроводниковые соединения A III B V (см. Введение). Именно на основе этих соединений и их твердых растворов изготавливается промышленностью бóльшая часть полупроводниковых лазеров. Во многих полупроводниковых материалах этого класса рекомбинация избыточных носителей тока осуществляется путем прямых оптических переходов между заполненными состояниями вблизи дна зоны проводимости и свободными состояниями вблизи вершины валентной зоны (рис.1). Большая вероятность оптических переходов в прямозонных полупроводниках и большая плотность состояний в зонах позволяют получить высокое оптическое усиление в полупроводнике.

Рис.1. Испускание фотона при излучательной рекомбинации в прямозонном полупроводнике с инверсной заселенностью.

Рассмотрим основные принципы работы полупроводникового лазера. Если полупроводниковый кристалл, находится в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой, то он способен только поглощать падающее на него излучение. Интенсивность света, прошедшего в кристалле расстояние х , задается известным соотношением Бугера-Ламберта

Здесь R - коэффициент отражения света;

α - коэффициент поглощения света.

Для того, чтобы свет усиливался, проходя через кристалл, а не ослаблялся, требуется, чтобы коэффициент α был меньше нуля, что в термодинамически-равновесной среде невозможно. Для работы любого лазера (газового, жидкостного, твердотельного) требуется, чтобы рабочая среда лазера находилась в состоянии инверсной заселенности – таком состоянии, при котором количество электронов на высоколежащих уровнях энергии было бы большим, чем на ниже расположенных уровнях (такое состояние называется еще «состоянием с отрицательной температурой»). Получим соотношение, описывающее состояние с инверсной заселенностью в полупроводниках.

Пусть ε 1 и ε 2 – оптически связанные между собой энергетические уровни, первый из которых находится в валентной, а второй – в зоне проводимости полупроводника (рис.2). Термин «оптически связанные» означает, что переходы электрона между ними разрешены правилами отбора. Поглотив квант света с энергией hν 12 , электрон переходит с уровня ε 1 на уровень ε 2 . Скорость такого перехода будет пропорциональна вероятности заселения первого уровня f 1 , вероятности того, что второй уровень пуст: (1- f 2), и плотности потока фотонов P(hν 12)

Обратный переход – с верхнего уровня на нижний, может происходить двумя способами – за счет спонтанной и вынужденной рекомбинации. Во втором случае взаимодействие кванта света с электроном, находящимся на уровне ε 2 , «заставляет» рекомбинировать электрон с испусканием кванта света, тождественного тому, который вызвал процесс вынужденной рекомбинации. Т.о. в системе происходит усиление света, что и составляет суть работы лазера. Скорости спонтанной и вынужденной рекомбинации запишутся как:

(3)

В состоянии термодинамического равновесия

. (5)

Используя условие 5, можно показать, что коэффициенты В 12 , В 21 и А 21 («коэффициенты Эйнштейна») связаны между собой, а именно:

, (6)

где n – показатель преломления полупроводника; с –скорость света.

В дальнейшем, впрочем, спонтанную рекомбинацию мы учитывать не будем, т.к. скорость спонтанной рекомбинации не зависит от плотности потока фотонов в рабочей среде лазера, и скорость вынужденной рекомбинации будет при больших значениях Р(hν 12 ) существенно превышать скорость спонтанной рекомбинации. Для того, чтобы происходило усиление света, скорость вынужденных переходов «сверху вниз» должна превышать скорость переходов «снизу вверх»:

Записав вероятности заселения электронами уровней с энергией ε 1 и ε 2 в виде

, (8)

получим условие инверсной заселенности в полупроводниках

т.к. минимальное расстояние между уровнями ε 1 и ε 2 как раз равно ширине запрещенной зоны полупроводника ε g . Это соотношение известно как соотношение Бернара-Дюрафура.

В формулу 9 входят значения т.н. квазиуровней Ферми - уровней Ферми отдельно для зоны проводимости F C и валентной зоны F V . Такая ситуация возможна только для неравновесной, а точнее, для квазиравновесной системы. Для формирования в обеих разрешенных зонах уровней Ферми (уровней, разделяющих заполненные электронами и пустые состояния (см. Введение)), требуется, чтобы время релаксации импульса электронов и дырок было на несколько порядков меньше времени жизни избыточных носителей заряда:

В результате неравновесный в целом электронно-дырочный газ можно рассматривать как комбинацию равновесного электронного газа в зоне проводимости и равновесного дырочного газа в валентной зоне (рис.2).

Рис.2. Энергетическая диаграмма полупроводника с инверсной заселенностью уровней. Заполненные электронами состояния заштрихованы.

Процедура создания в рабочей среде лазера (в нашем случае – в полупроводниковом кристалле) инверсной заселенности носит название накачки. Накачка полупроводниковых лазеров может осуществляться извне светом, пучком быстрых электронов, сильным радиочастотным полем, ударной ионизацией в самом полупроводнике. Но наиболее простым, экономичным и, в силу того, наиболее распространенным способом накачки полупроводниковых лазеров является инжекция носителей заряда в вырожденном p-n переходе (cм. методич. пособие “Физика полупроводниковых приборов”; туннельный диод). Принцип такой накачки понятен из рис.3, где приведена энергетическая диаграмма такого перехода в состоянии термодинамического равновесия и при большом прямом смещении . Видно, что в области d, непосредственно примыкающей к p-n переходу, реализуется инверсная заселенность – энегетическое расстояние между квазиуровнями Ферми больше, чем ширина запрещенной зоны.

Рис.3. Вырожденный р-п переход в состоянии термодинамического равновесия (слева) и при большом прямом смещении (справа).

Однако создание в рабочей среде инверсной заселенности является необходимым, но еще не достаточным условием для генерации лазерного излучения. В любом лазере, и в полупроводниковом – в частности, часть подводимой к прибору мощности накачки будет бесполезно теряться. И только когда мощность накачки превысит определенную величину - порог генерации, лазер начинает работать как квантовый усилитель света. При превышении порога генерации:

· а) резко возрастает интенсивность испускаемого прибором излучения (рис.4а);

· б) сужается спектральная линия излучения (рис. 4б);

· в) излучение становится когерентным и узконаправленным.

Рис.4. Рост интенсивности (слева) и сужение спектральной линии излучения (справа) полупроводникового лазера при превышении током порогового значения.

Для достижения пороговых условий генерации рабочую среду лазера обычно помещают в оптический резонатор. Этоувеличивает длину оптического пути пучка света в рабочей среде, облегчает достижение порога генерации, способствует лучшей фокусировке пучка и т.д. Из всего разнообразия типов оптических резонаторов в полупроводниковых лазерах наибольшее распространение получил простейший резонатор Фабри-Перо – два плоско-параллельных зеркала, перпендикулярных p-n переходу. Причем в качестве зеркал используются отшлифованные грани самого полупроводникового кристалла.

Рассмотрим прохождение электромагнитной волны через такой резонатор. Примем коэффициент пропускания и коэффициент отражения левого зеркала резонатора за t 1 и r 1 , правого (через которое излучение выходит наружу) - за t 2 и r 2 ; длина резонатора – L . Пусть на левую грань кристалла падает извне электромагнитная волна, уравнение которой запишем в виде:

. (11)

Пройдя через левое зеркало, кристалл и правое зеркало, часть излучения выйдет через правую грань кристалла, а часть отразится и снова пойдет к левой грани (рис.5).

Рис.5. Электромагнитная волна в резонаторе Фабри-Перо.

Дальнейший ход луча в резонаторе, амплитуды выходящих и отраженных лучей понятны из рисунка. Просуммируем амплитуды всех электромагнитных волн, вышедших через правую грань кристалла :

= (12).

Потребуем, чтобы сумма амплитуд всех волн, выходящих через правую грань, не равнялась нулю даже при исчезающе малой амплитуде волны на левой грани кристалла. Очевидно, что это может быть только тогда, когда и знаменатель дроби в (12) стремится к нулю. Отсюда получим:

, (13)

а с учетом того, что интенсивность света , т.е ; , где R 1 , R 2 - коэффициенты отражения зеркал – граней кристалла «по интенсивности», и, к тому же, , окончательно соотношение для порога генерации запишем как:

. (14)

Из (11) следует, что множитель 2Г, входящий в показатель экспоненты, связан с комплексным показателем преломления кристалла:

В правой части (15) первое слагаемое определяет фазу световой волны, а второе – амплитуду. В обычной, термодинамически равновесной среде - происходит ослабление (поглощение) света, в активной рабочей среде лазера это же соотношение следает записать в виде , где g - коэффициент усиления света , а символом α i обозначены все потери энергии накачки, не обязательно только оптической природы. Тогда амплитудное пороговое условие перепишется как:

или . (16)

Таким образом, мы определили необходимое (9) и достаточное (16) условия генерации полупроводникового лазера. Как только величина коэффициента усиления превыситпотери на величину, определяемую первым слагаемым (16), в рабочей среде с инверсной заселенностью уровней начнется усиление света. Сама же величина коэффициента усиления будет зависеть от мощности накачки или, что для инжекционных лазеров то же самое, от величины рабочего тока. В обычной рабочей области полупроводниковых лазеров и линейно зависит от величины рабочего тока

. (17)

Из (16) и (17) для порогового тока получим:

, (18)

где через I 0 обозначен т.н. «порог инверсии» – значение рабочего тока, при котором достигается инверсная заселенность в полупроводнике. Т.к. обычно , первым слагаемым в (18) можно пренебречь.

Коэффициент пропорциональности β для лазера с использованием обычного p-n перехода и изготовленного, например, из GaAs можно рассчитать по формуле

, (19)

где Е и ΔЕ – положение и полуширина спектральной линии излучения лазера.

Расчет по формуле 18 дает при комнатной температуре Т=300К для такого лазера очень высокие значения пороговой плотности тока 5 . 10 4 А/см 2 , т.е. такие лазеры могут эксплуатироваться либо при хорошем охлаждении, либо в режиме коротких импульсов. Поэтому, как уже отмечалось выше, только создание в 1970 г. группой Ж.И.Алферова лазеров на гетеропереходах позволило на 2 порядка снизить пороговые токи полупроводниковых лазеров, что в конечном итоге и привело к массовому применению этих приборов в электронике.

Для того, чтобы понять, как этого удалось достичь, рассмотрим подробнее структуру потерь в полупроводниковых лазерах. К неспецифическим, общим для любых лазеров, и в принципе неустранимым потерям следует отнести потери на спонтанные переходы и потери на термализацию.

Спонтанные переходы с верхнего уровня на нижний будут присутствовать всегда, а поскольку излучаемые при этом кванты света будут иметь случайное распределение по фазе и направлению распространения (не будут когерентны ), то затраты энергии накачки на генерацию спонтанно-рекомбинирующих электрон-дырочных пар следует отнести к потерям.

При любом способе накачки в зону проводимости полупроводника будут забрасываться электроны, с энергией, большей энергии квазиуровня Ферми F С . Эти электроны, теряя энергию в столкновениях с дефектами решетки, достаточно быстро опускаются до квазиуровня Ферми – процесс, называемый термализацией. Энергия, потерянная электронами при рассеянии их на дефектах решетки, и есть потери на термализацию.

К частично-устранимым потерям можно отнести потери на безызлучательную рекомбинацию . В прямозонных полупроводниках за безызлучательную рекомбинацию отвечают обычно глубокие примесные уровни (см. «Фотоэффект в однородных полупроводниках»). Тщательная очистка полупроводникового кристалла от примесей, образующих такие уровни, уменьшает вероятность безызлучательной рекомбинации.

И, наконец, потери на нерезонансное поглощение и на токи утечки можно значительно уменьшить, применяя для изготовления лазеров гетероструктуры.

В отличие от обычных p-n переходов, где справа и слева от точки контакта располагаются одинаковые полупроводники, отличающиеся только составом примесей и типом проводимости, в гетероструктурах по обе стороны контакта располагаются разные по химическому составу полупроводники. Эти полупроводники имеют различную ширину запрещенной зоны, поэтому в точке контакта будет наблюдаться «скачок» потенциальной энергии электрона (типа «крюк» или типа «стенка» (рис.6)).

Рис.6. Инжекционный лазер на основе двусторонней гетероструктуры в состоянии термодинамического равновесия (слева) и в рабочем режиме (справа).

В зависимости от типа проводимости полупроводников гетероструктуры могут быть изотипными (p-P; n-N гетероструктуры) и анизотипными (p-N; n-P гетероструктуры). Заглавными буквами вгетероструктурах принято обозначать полупроводник с большей шириной запрещенной зоны. Далеко не любые полупроводники способны образовывать качественные гетероструктуры, пригодные для создания на их основе электронных приборов. Для того, чтобы граница раздела содержала как можно меньше дефектов, компоненты гетероструктуры должны иметь одинаковую кристаллическую структуру и очень близкие значения постоянной кристаллической решетки. Среди полупроводников группы A III B V только две пары соединений отвечают этому требованию: GaAs-AlAs и GaSb-AlSb и их твердые растворы (см. Введение), т.е. GaAs-Ga x Al 1- x As ; GaSb-Ga x Al 1- x Sb. Усложняя состав полупроводников, можно подобрать и другие пары, пригодные для создания гетероструктур, например InP-In x Ga 1- x As y P 1- y ; InP- Al x Ga 1- x As y Sb 1- y . Инжекционные лазеры изготавливаются и из гетероструктур на основе полупроводниковых соединений A IV B VI , таких как PbTe-Pb x Sn 1- x Te; PbSe-Pb x Sn 1- x Se - эти лазеры излучают в дальней инфракрасной области спектра.

Потери на токи утечки в гетеролазерах удается практически полностью устранить благодаря разнице в ширине запрещенных зон полупроводников, формирующих гетероструктуру. Действительно (рис.3), ширина области d вблизи обычного p-n перехода, где выполняется условие инверсной заселенности, составляет всего 1 мкм, в то время как инжектированные через переход носители заряда рекомбинируют в гораздо большей по размерам области L n +L p шириной 10 мкм. Рекомбинация носителей в этой области не вносит вклад в когерентное излучение. В двусторонней N-p-P гетероструктуре (рис.6) область с инверсной заселенностью совпадает с толщиной слоя узкозонного полупроводника в центре гетеролазера. Практически все инжектированные в эту область из широкозонных полупроводников электроны и дырки там и рекомбинируют. Потенциальные барьеры на границе раздела широкозонных и узкозонного полупроводника не дают «растекаться» носителям заряда, что резко повышает эффективность такой структуры по сравнению с обычным (рис.3) p-n переходом.

В слое узкозонного полупроводника будут сосредоточены не только неравновесные электроны и дырки, но и бóльшая часть излучения. Причина этого явления заключается в том, что полупроводники, составляющие гетероструктуру, отличаются величиной показателя преломления. Как правило, показатель преломления выше у узкозонного полупроводника. Поэтому все лучи, имеющие угол падения на границу двух полупроводников

, (20)

будут претерпевать полное внутреннее отражение. Следовательно, излучение будет «заперто» в активном слое (рис.7), что существенно уменьшит потери на нерезонансное поглощение (обычно это т.н. «поглощение свободными носителями заряда»).

Рис.7. Оптическое ограничение при распространении света в гетероструктуре. При угле падения, большем θ, происходит полное внутреннее отражение от границы раздела полупроводников, составляющих гетероструктуру.

Все вышесказанное и позволяет получить в гетеролазерах гигантское оптическое усиление при микроскопических размерах активной области: толщина активного слоя , длина резонатора . Гетеролазеры работают при комнатной температуре в непрерывном режиме , а характерные плотности рабочих токов не превышают 500 А/см 2 . Спектр излучения большинства серийно-выпускаемых лазеров, в которых рабочей средой является арсенид галлия, представляет узкую линию с максимумом в ближней инфракрасной области спектра , хотя разработаны полупроводниковые лазеры, дающие видимое излучение, и лазеры, излучающие в далекой инфракрасной области с .

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Подобные документы

Распространение импульса электромагнитной энергии по световоду. Межмодовая дисперсия в многомодовых световодах. Определение внутримодовой дисперсии. Материальная и волноводная дисперсия в одномодовом волоконном световоде. Длина волны нулевой дисперсии.

контрольная работа , добавлен 18.05.2011


Инжекционный механизм накачки. Величина смещающего напряжения. Основные характеристики полупроводниковых лазеров и их группы. Типичный спектр излучения полупроводникового лазера. Величины пороговых токов. Мощность излучения лазера в импульсном режиме.

презентация , добавлен 19.02.2014


Расчет длины регенерационного участка волоконно-оптической системы (ВОЛС) передачи информации по заданным параметрам энергетического потенциала системы и дисперсии в волоконных световодах. Оценка быстродействия ВОЛС. Определение ширины полосы пропускания.

контрольная работа , добавлен 29.05.2014


Эрбиевые усилители оптического сигнала. Параметры волоконных усилителей. Выходная мощность сигнала и энергетическая эффективность накачки. Ширина и равномерность полосы усиления. Полупроводниковый лазер накачки "ЛАТУС-К". Конструкция лазера накачки.

дипломная работа , добавлен 24.12.2015


Этапы разработки и перспективы внедрения проекта по созданию бюджетного лазерного комплекса на базе полупроводникового лазера, предназначенного для обработки органических материалов. Исследование основных параметров и характеристик фотоприемника.

курсовая работа , добавлен 15.07.2015


Расчет полупроводниковой лазерной структуры на основе соединений третей и пятой групп для волоконно-оптических линий связи III поколения. Выбор структуры кристалла. Расчет параметров, РОС-резонатора, внутреннего квантового выхода, оптического ограничения.

курсовая работа , добавлен 05.11.2015


Прокладка волоконно-оптического кабеля с применением аппаратуры синхронной цифровой иерархии СЦИ (SDH), вместо уплотненной системы К-60п, на участке "Джетыгара - Комсомолец". Расчет предельно-допустимых уровней излучения полупроводникового лазера.

дипломная работа , добавлен 06.11.2014


Падение плоской волны на границу раздела двух сред, соотношение волновых сопротивлений и компонентов поля. Распространение поляризованных волн в металлическом световоде, расчет глубины их проникновения. Определение поля внутри диэлектрического световода.

курсовая работа , добавлен 07.06.2011