3.6. Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковым называется лазер с полупроводниковым активным элементом. Полупроводниковые лазеры (ППЛ) делятся на три основных класса:

• инжекционные (с электрической накачкой),

• лазеры с электронным возбуждением

• лазеры с оптическим возбуждением.

Наиболее удобным методом накачки является электрическая накачка, когда используется полупроводниковый диод, в котором возбуждение лазерного вещества происходит за счет тока, протекающего в прямом направлении. При этом инверсия населенностей обеспечивается в области p–n – перехода. Различают два типа лазерных диодов – гомолазеры, или лазеры на гомоструктуре (гомопереходе), и гетеролазеры – лазеры на гетероструктуре. В гомолазерах (исторически первый ППЛ) p– и n –области диода выполнены из одного и того же полупроводникового материала. Однако использование гомоперехода сопряжено с сильным поглощением лазерного пучка в p– и n–областях диода, в которые он заходит вследствие дифракции, и дуффузионным растеканием инжектируемых в p–n –переход носителей заряда. Все это предопределяет большую величину пороговой плотности тока накачки, а значит, и перегрев диода, что не позволяет гомолазерам работать в режиме непрерывной генерации при комнатной температуре. Пороговая плотность накачки в лазерном диоде быстро уменьшается с понижением его рабочей температуры. При этом снижается и перегрев диода. Однако для обеспечения работы ППЛ на гомопереходе в режиме непрерывной генерации требуется охлаждать лазерный диод до очень низких (77К и ниже) температур, что резко ограничивает их практическое применение. Широкое использование инжекционных лазеров началось только после того, как в 1969 году были разработаны гетеролазеры (сначала на односторонней, а затем и двусторонней гетероструктуре (ДГС)), функционирующие при комнатной температуре. В гетеролазерах на основе ДГС используются классические (объемные) полупроводники. Электронные переходы в таких полупроводниках происходят между энергетическими зонами, а не между отдельными уровнями энергии, как в твердотельных и газовых лазерах.

В 80–х годах прошлого столетия началось бурное развитие новейшего поколения гетеролазеров на основе квантоворазмерных структур (КРС). В гетеролазерах на основе КРС размеры активной среды соизмеримы с длиной волны де Бройля электронов. Поэтому проявляются эффекты размерного квантования – электронные энергетические спектры квантуются. Квантование становится все более выраженным по мере перехода от квантовых двумерных ям (тонких активных слоев) к квантовым проволокам (одномерным КРС) и квантовым точкам. Квантовые точки являются как бы «искусственными атомами» (в том смысле, что носители заряда ограничены в движении во всех трех направлениях) и поэтому обладают полностью дискретным энергетическим спектром. Лазеры на квантовых точках, по сути, аналогичны твердотельным лазерам на диэлектрических кристаллах, активированных ионами примесей. Они имеют узкие полосы излучения и большую мощность излучения, сохраняя все преимущества ППЛ. В настоящее время лазеры на квантовых точках еще не вышли на промышленный уровень производства, но так как над их созданием работают ведущие специалисты различных стран.

Гетеролазеры выгодно отличаются от других типов лазеров:

1. Компактностью: длина менее 0,5 мм; ширина не более 0,4 мм; высота не более 0,1 мм;

2. Простотой накачки (непосредственным преобразованием электрической энергии в когерентное излучение при низком (несколько вольт) напряжении накачки и малой (на основе ДГС ~ 10⁷ А/м², на основе КРС ~ 10⁶ А/м²) пороговой плотности тока накачки);

3. Достаточно малой инерционностью (от 10^-10 до 10^-9 с), обеспечивающей возможность прямой модуляции лазерного излучения электрическим током с частотами до 10¹⁰ Гц.

4. Высоким (50 – 60%) КПД.

5. Простотой конструкции, в частности, отсутствием у большинства ППЛ внешнего резонатора (резонатором служат грани скола полупроводникового кристалла).

6. Широким (от 0,32 до 32 мкм) диапазоном длин волн генерации за счет использования тройных и четверных соединений.

7. Большим (до 10⁶ ч) сроком службы.

Научный и технический (технологический) прогресс в области

создания ППЛ привел к стремительному расширению области их применения. В настоящее время ППЛ применяются:

1. В основных элементах оптоэлектронных вычислительных машин – элементах памяти, устройствах для записи и считывания информации.

2. В лазерных звуковых проигрывателях (компакт–дисках) –запись и считывание информации.

3. В лазерной диодной накачке твердотельных лазеров.

4. В волоконно–оптических линиях связи, рассчитанных на передачу информации с большой скоростью и на большие расстояния.

5. В медицинских приборах.

6. В приборах ночного видения.

Начинают использоваться лазеры, работающие в сине–голубой и даже УФ–области спектра и обладающие еще большим быстродействием, чем ППЛ, генерирующие в красной области спектра. Ведутся успешные разработки ИК ППЛ (диапазон длин волн генерации до 50 мкм).

Спектр излучения ППЛ определяется в целом собственными свойствами полупроводниковых кристаллов, а не примесями (которые, конечно, оказывают влияние на свойства кристаллов, но не играют определяющей роли). При этом лазерными переходами являются переходы носителей заряда из зоны в зону, т.е. активными квантовыми частицами являются квазисвободные частицы.

Рассмотрим принцип действия полупроводникового лазера. Принцип действия ППЛ поясним с помощью рис.3.12, на котором V – это валентная зона, С – зона проводимости и E_g – ширина запрещенной зоны классического (объемного) полупроводника.

Известно, что при температуре Т = 0 К валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости пуста. Эта ситуация зафиксирована на рис.20.1,а. Положим теперь, что при Т = 0 К значительная часть электронов под внешним воздействием перешла из валентной зоны в зону проводимости. При этом в валентной зоне образовалось соответствующее число дырок. Поскольку внутризонные переходы происходят за значительно меньшее время (~ 10^-10 с), чем межзонные (от 10^-2 до 10^-7 с), внутри каждой зоны практически сразу установится тепловое равновесие. Поэтому можно по отдельности рассматривать вероятности заполнения f_c (e) и f_v (e) данного состояния с энергией Е в зоне проводимости и в валентной зоне:

Рис.20.1. Принцип действия полупроводникового лазера: а – Т » 0 К, накачка не производится – состояние термодинамического равновесия; б –Г– 0 К, накачка производится – состояние термодинамического равновесия нарушено. V н С – валентная зона и зона проводимости; E_g – ширина запрещенной зоны; F_v и F_c – квазиуровни Ферми в валентной зоне и зоне проводимости; Av – энергия испускаемого фотона: E_g<hv<F_c–F_v

(3.6)

, (3.7)

где F_c и F_v – энергии так называемых квазиуровней Ферми зоны проводимости и валентной зоны. При Т = 0 К эти уровни являются границами между полностью заполненными и абсолютно пустыми уровнями энергии внутри каждой зоны. Чем больше электронов переходит в зону проводимости, тем выше располагается квазиуровень Ферми F_c и ниже – F_v).