Лазери на подвійній гетероструктурі

Реферат

на тему:

«Лазерний діод»

Виконав:

ст.гр. ОТ-31

Дурнота І.Г.

Прийняв:

Вороняк Т.І

Львів 2012

Лазерний діод — лазер, в якому активним середовищем є електронно-дірковий газ, а робочою областю напівпровідниковий p-n перехід, аналогічний p-n переходу звичайного світлодіода.

Принцип дії

Коли на анод звичайного діода подається позитивний потенціал, то говорять, що діод зміщений в прямому напрямі. При цьому дірки з p-області інжектуються в n-область p-n переходу, а електрони з n-області інжектуються в p-область напівпровідника. Якщо електрон і дірка виявляються "поблизу" (на відстані коли можливо тунелювання), то вони можуть рекомбінувати (або анігілювати) з виділенням енергії у вигляді фотона певної довжини хвилі (через збереження енергії) і фонона (через збереження імпульсу, тому що імпульс фотона малий). Такий процес називається спонтанним випромінюванням, і є основним джерелом випромінювання в світлодіодах.

Проте, за певних умов, електрон і дірка можуть знаходитися в одній області простору якийсь час перед рекомбінацією, вимірюваний мікросекундами. Якщо у цей момент через цю область простору пройде фотон потрібної частоти (резонансної частоти), він може викликати вимушену рекомбінацію з виділенням другого фотона, причому його напрям, вектор поляризації і фаза будуть у точності збігатися з тими ж характеристиками першого фотона.

У лазерному діоді напівпровідниковий кристал виготовляють у вигляді дуже тонкої прямокутної пластинки. Така пластинка по суті є оптичним хвилеводом, де випромінювання обмежене у відносно невеликому просторі. Верхній шар кристала легується для створення n-області, а в нижньому шарі створюють p-область. В результаті виходить плоский p-n перехід великої площі. Дві бічні сторони (торці) кристала поліруються для утворення гладких паралельних площин, які утворюють оптичний резонатор, званий резонатором Фабрі-Перро. Фотони, що випромінюють перпендикулярно цим площинам, пройдуть через весь оптичний хвилевід і кілька разів відобразяться від них, перш ніж вийде назовні. Щоразу, коли фотон проходитиме уздовж резонатора, випромінювання посилюватиметься завдяки механізму вимушеного випромінювання. І як тільки посилення перевищить втрати почнеться лазерна генерація.

Зазвичай p-n-перехід формується шляхом епітотсіального вирощування шару p-типу на підкладці n-типу. Електричний струм є джерелом енергії накачування, необхідної для створення інверсії населеності в активній зоні, що примикає до p-n-переходу. Дві паралельні торцеві поверхні виготовляються шляхом відколу по кристалографічної осі для роботи в якості дзеркал резонатора і створення позитивної оптичної зворотного зв'язку, необхідної для генерації випромінювання. У силу великої показника заломлення напівпровідникового матеріалу коефіцієнт відбиття від граней складає 30-35%. Бічні грані лазерного кристала мають нерівності, для того щоб придушити поперечне небажане поширення світла. До основних параметрів лазерного діода відносяться спектр частот випромінювання (оптичні моди), пороговий струм, вихідна потужність випромінювання та ефективність роботи. Коли струм проходить через лазерний діод, то світло генерується за рахунок інверсії населеності допомогою спонтанного та стимульованого випромінювань. Внаслідок відбиття від торців світло багато разів проходить через активну область і переважно посилюється стимульованим випромінюванням. Всередині лазерного діода встановлюється стояча хвиля з цілим числом напівхвиль між торцевими поверхнями. Модової число m задається числом на півхвиль m=2Ln/L_w ,

де L - відстань між торцями; n - показник заломлення; Lw-довжина хвилі випромінювання у вакуумі. Модової поділ можна встановити, взявши похідну dm/dL_w Тоді

dm/dL_w=-2Ln/ L_w²+(2L/ L_w)(dn/ dL_w). При dm=-1, що відповідає втраті однієї напівхвилі в резонаторі, отримаємо вираз для модового поділу:

dL_w= dL_w²/{2L[n- L_w(dn/ dL_w)]}. Спектр випромінювання лазерного діода зображений на рис. 5. Зазвичай існує кілька поздовжніх мод, які мають довжини хвиль поблизу піку спонтанної емісії.Модової разделніе для напівпровідникового лазера на основі GaAs становить dLw = 0.3 нм. Для того щоб лазер працював в одномодовом режимі, необхідно будь-яким способом придушити небажані бічні моди, залишивши основну центральну.

Лазерний діод не відразу починає випромінювати при додатку до нього напруги від зовнішнього джерела. При малому струмі має місце спонтанне випромінювання (рис. 5) з шириною спектру випромінювання в кілька сот мікрометра. У міру наростання струму накачування в області p-n-переходу створюється висока ступінь інверсії населеності і випромінюється більше світла. Окремі фотони багаторазово проходять строго в площині p-n-переходу і перпендикулярно до торців діода посилюються. Із зростанням струму накачування випускається діодом випромінювання істотно звужується одночасно по ширині спектру і по просторовому розходженні. Коли виникає індуковане випромінювання, інтенсивність випромінювання збільшується за рахунок утворення великої кількості електронно-діркових пар в одиницю часу. Спонтанне випромінювання пригнічується внаслідок того, що утворилися спочатку фотони повторюють себе при проходженні через активну область.Випромінювання лазерного діода, отримане при густині струму вище порогового, є когерентним. При цьому форма кривої спектрального розподілу різко змінюється від широкої кривої розподілу спонтанної емісії 1 до кривої з декількома вузькими модами 2 (рис. 5). Значення порогового струму в залежності від природи матеріалу і геометричних параметрів можна отримати з таких міркувань. Нехай в області p-n-переходу існує светоизлучающий шар товщини D, який більше товщини d шару з інверсної населеністю. Тоді можна припустити, що з усіх існуючих електронно-діркових пар тільки частина d / D залишається в активній області і може брати участь в індукованому випромінюванні. Покладемо, що світлова хвиля поширюється в кристалі і на кожну торцеву поверхню падає світловий потік потужністю P_s а коефіцієнт відображенні від p. При наявності лазерного випромінювання твір pP_s експоненціально збільшується залежно від довжини активної зони L. Існуючі втрати світлової хвилі значно перекриваються лазерним посиленням за рахунок індукованого випромінювання. Кожен торець діода випромінює світло потужністю P_вых/2=(1-p)P_s.. Якщо µ [см^-1[см^-1] коефіцієнт втрат для хвилі при її поширенні в кристалі , а H [см^-1] коефіцієнт посилення, то потужність в залежності від пройденого хвилею відстані уздовж активної області буде P=pP_sexp[H(d/D)-µ]z. Посилення хвилі відбувається тільки в області з інверсної населеністю, тому величину Н необхідно помножити на d / D, в той час як втрати мають місце по всьому об'єму і тому коефіцієнт μ не має такого множника. Тоді при проходженні кристала довгою L будемо мати:

P=pP_sexp[H(d/D)-µ]L;

ln(1/p)=[H(d/d)-µ]L.

Таким чином, умова лазерного випромінювання має вигляд

H(d/D)=µ+(1/L) ln(1/p). (1)

Коефіцієнт посилення H пов'язаний з щільністю інжектованих струму. Вираз для величини Н буде

H=gL_w² I/(8¶en²dV), (2)

Лазерні діоди можуть бути декількох типів. У основної їх частини шари зроблені дуже тонкими, і така структура може генерувати випромінювання тільки в напрямі, паралельному цим шарам. З іншого боку, якщо хвилевід зробити достатньо широким в порівнянні з довжиною хвилі, він зможе працювати вже в декількох поперечних режимах. Такий діод називається багатомодовим (англ.. «multi-mode». Застосування таких лазерів можливо в тих випадках, коли від пристрою потрібна висока потужність випромінювання, і не ставиться умова хорошої збіжності променя (тобто допускається його значне розсіювання). Такими областями застосувань є: друкувальні пристрої, хімічна промисловість, накачка інших лазерів. З іншого боку, якщо потрібне хороше фокусування променя, ширина хвилеводу повинна виготовлятися порівнянної з довжиною хвилі випромінювання. Тут вже ширина променя визначатиметься тільки межами, що накладаються дифракцією. Такі пристрої застосовуються в оптичних модулях пам’яти, лазерних цілівказівниках, а також в оптоволоконній техніці. Слід, проте, помітити, що такі лазери можуть підтримувати декілька подовжніх режимів, тобто можуть випромінювати на різних довжинах хвиль одночасно.

Довжина хвилі випромінювання лазерного діода залежить від ширини забороненої зони між енергетичними рівнями p- і n-областей напівпровідника.

У зв'язку з тим, що випромінюючий елемент достатньо тонкий, промінь на виході діода, завдяки дифракції, практично відразу розходиться. Для компенсації цього ефекту і отримання тонкого променя необхідно застосовувати збираючи лінзи. Для багатомодових широких лазерів, найчастіше застосовуються циліндрові лінзи. Для одномодових лазерів, при використанні симетричних лінз, перетин променя буде еліптичним, оскільки розбіжність у вертикальній площині перевищує розбіжність в горизонтальній. Найнаочніше це видно на прикладі променя лазерної указки.

У простому пристрої, який був описаний вище, неможливо виділити окрему довжину хвилі, виключаючи значення, характерне для оптичного резонатора. Проте в пристроях з декількома подовжніми режимами і матеріалом, здатним підсилювати випромінювання в достатньо широкому діапазоні частот, можлива робота на декількох довжинах хвиль. У багатьох випадках, включаючи більшість лазерів з видимим випромінюванням, вони працюють на єдиній довжині хвилі, яка, проте володіє сильною нестабільністю і залежить від безлічі факторів — зміни сили струму, зовнішньої температури і т.д. Останніми роками описана вище конструкція простого лазерного діода піддавалася численним вдосконаленням, щоб пристрої на їх основі могли відповідати сучасним вимогам.

Види лазерних діодів

Конструкція лазерного діода, описана вище, має назву «діод із n-p гомоструктурою» (значення терміну стане зрозумілим трохи пізніше). На жаль, такі діоди украй неефективні. Вони вимагають такої великої вхідної потужності, що можуть працювати тільки в імпульсному режимі, інакше вони розплавляються. Незважаючи на простоту конструкції і історичну значимість, на практиці вони не застосовуються.

Лазери на подвійній гетероструктурі

У цих пристроях, шар матеріалу з вужчою забороненою зоною розташовується між двома шарами матеріалу з ширшою забороненою зоною. Найчастіше для реалізації лазери на основі подвійної гетероструктури використовують арсенід галію (GaAs) і арсенід алюмінію-галію (AlGaAs). Кожне з'єднання двох таких різних напівпровідників називається гетероструктурою, а пристрій — «діодом з подвійною гетероструктурою» (ПГС). У англомовній літературі використовуються назви «double heterostructure laser» або «DH laser». Описана на початку статті конструкція називається «діод на гомопереході» якраз для ілюстрації відмінностей від даного типа, який сьогодні використовується достатньо широко.

Перевага лазерів з подвійною гетероструктурою полягає в тому, що область співіснування електронів і дірок («активна область») поміщена в тонкому середньому шарі. Це означає, що багато більше електронно-дірчастих пар даватимуть внесок в посилення - не так багато залишиться їх на перефірії, в області з низьким посиленням. Додатково, світло відображатиметься від самих гетеропереходів, тобто випромінювання буде цілком поміщено у області максимально ефективного посилення.

Поиск по сайту: