2. Основні типи сучасних напівпровідникових лазерів

Інжекційні лазери на гомопереходах (рис. 1.8) були створені на основі ОаАБ, однак їхні параметри виявилися незадовільними: во­ни потребували високої граничної щільності струму, низької робочої температури (досить глибоке охолодження рідким повіт­рям), внаслідок цього мали низький ККД та короткий термін експ­луатації.

Використання гетеро- структур значно поліпшило умови генерації когерент­ного випромінювання. Недо­ліки, властиві гомогенним структурам, були подолані, що дало змогу експеримен­тально підтвердити перева­ги НЛ. У гетеролазері немає необхідності легувати напівпровідник до виродження — умова (1.12) виконується за рахунок різних розмірів W_g2 і W_g1 , а висока концентрація носіїв заряду в середній області може бути досягнута завдяки властивії?: гетероструктурам концентрації носіїв у вузько- зонній області та запобіганню іх розтікання. При цьому є можли­вість знизити рівень легування, що відповідно зменшує кількість порушень ґратки та центрів безвипромінювальної рекомбінації. Суттєво зростає й ефективність генерації світла.

Характер інжекції, властивий гетеропереходам, веде до того, що всі носії заряду зосереджуються в активній середній області, їхнє проникнення в широкозонні емітери мізерне. Гетеролазер, особливо з двома гетероструктурами, діє як хвилевод, що концен­трує світлові хвилі та не дає їм поширюватися за межі середнього шару, оптично більш щільного, ніж сусідні.

Зважуючи на наведене можемо зробити висновок, що в інжек­ційному гетеролазері (на відміну від НЛ на гомогенному напів­провіднику) області інверсії населеності, рекомбінації носіїв заря­ду й поширення світлового випромінювання практично збігаються й зосереджені в активному середньому шарі. Гранічна щільність струму зменшується до 1 кА/м² і менше (в лазерах на квантових ямах), ККД зростає до 50 % і вище, відпадає необхідність в охо­лодженні.

Лазер з подвійною гетероструктурою (ПГС-лазер) і з полозковою геометрією електрода (рис. 1.9) являє собою поширену конструк­цію НЛ. Теоретичні й експериментальні дослідження подвійних і одинарних гетероструктур (наприклад, n-GаАs-р-GаАs-р⁺ - GаАlАs ) привели до висновку, що гранична щільність струму пропор­ційна товщині активного шару: J_гp = ζh , причому для ДГС-лазерів на основі GаАs-СаАlАs при кімнатній температурі ζ < 1 кА/см² · мкм.

Якщо зневажити деяким зниженням J_гр при зменшенні l_р , то легко одержати

і_пор = ζ·d·l_p·р = ζ·V_a (1.18)

таким чином, граничний струм генерації пропорційний об’єму активної речовини V_{а .} Величина i_гр дуже різко зростає у разі під­вищення температури: i_гр - ехр(Т/Т₀) (іноді використовують i_гр ~ Т^т, де т = 2 ... 3). Перехід від азотної температури до кімнатної веде до збільшення і_гр в 5 ... 20 разів.

При зменшенні товщини активної області до значень h, порів­нянних з λ /2 (тут ураховується довжина хвилі випромінювання

Рис. 1.9. Лазер з подвійною гетероструктурою (ПГС-лазер): а — побудова; б — зонна діаграма у стані прямого зміщення з напругою U; в — розподіл потужності випромінювання

усередині напівпровідника, значення якої приблизно в 3 рази мен­ше, ніж у повітрі), різко зростає роль дифракційних явищ, і хвилеводні властивості активної області погіршуються: значна частина світлової енергії даремно витрачається в пасивних облас­тях, кутова розбіжність променю при виході з торця кристала ви­являється неприйнятно великою.

Суперечливі вимоги до товщини активної області вдається част­ково обійти при створенні структур, що містять ще більшу, ніж у ДГС-лазері, кількість шарів, що дозволяють просторово розді­лити генерацію й каналізацію світла. Так, у п’ятишаровому лазері тонкий (-0,2 мкм) центральний шар виконує електронні функції (нагромадження й рекомбінацію носіїв заряду), а світловодом є три внутрішніх шари. При спробі знизити величину J_гр зменшенням ширин и активної області стає істотним розтікання струму й інжек­ційних носіїв у бічні області. Для ослаблення цього ефекту розроб­лено конструкцію ПГС-лазерів із зарощеною структурою, в якій активна речовина не з двох, а з чотирьох сторін оточена широко- зонним напівпровідником. При площі поперечного перерізу випромінювальної області, що дорівнює 1 х 1 мкм , отримані рекорд­но малі значення граничного струму (~15 мА). На жаль, технологія

Рис. 1.10. Напівпровідниковий РЗЗ-лазер

виготовлення таких приладів дуже складна.

Зменшення вихідної апер­тури не може здійснюватися безмежно, тому що при цьому падає потужність випроміню­вання й збільшується кутова розбіжність променю. Зви­чайні лазери з резонатором Фабрі — Перо випромінюють зазвичай декілька типів ко­ливань (мод), зміна темпера­тури призводить до перескоку на інший тип коливань, вихідна потужність не перевищує 100 мВт.

Нові можливості для подолання цих труднощів відкривають ла­зери з розподіленим зворотним зв’язком (РЗЗ-лазери) та. лазери з розподіленими бреггівськими відбивачами (РБВ-лазер). В РЗЗ-лазері замість резонатора Фабрі — Перо використовується бреггів- ська ґратка, яка являє собою періодичну послідовність оптичних неоднорідностей (наприклад, зони легування). Ґратка розміщена безпосередньо в активній зоні випромінювання (рис. 1.10). В РБВ-лазері дві бреггівські ґратки розміщують у хвилеводах, які розташовані поряд з активною зоною в якості відбиваючих дзер­кал. Ці лазери широко використовуються в волоконних лініях зв’язку, є основними елементами оптичних інтегральних схем (див. розділ 5).

Рис. 1.11. Конструкція УЄСЕЬ-лазера

Деякі переваги має конструкція НЛ, у якій випромінювання здійснюється не вздовж, а поперекр-я-переходу. Такі лазери набу­ли назву лазерів поверхневого випромінювання з вертикальним ре­зонатором (VCSEL). У та­кій конструкції бреггів­ські ґратки формуються зверху та знизу активної зони переходу (рис. 1.11).

Перехід до нанорозмі- рів у конструкції НЛ призводить до суттєвого підвищення ефективності роботи, хоча й потребує значного ускладнення тех­нології та підвищення якос­ті матеріалів. Структури на основі квантових ям та надґраток поступово отримують усе більшу популярність.

Сучасні дослідження й розробки концентруються на вдоскона­ленні інжекційних лазерів на гетеропереходах, у тому числі на складних системах з декількома гетеропереходами, РЗЗ-, РБВ-, VCSEL – лазерів, випромінювачів з використанням надґраток і квантових ям. В імпульсних режимах НЛ досягаються потуж­ності 10...100 Вт, у безперервних — сотні міліват.