3. Відмінності напівпровідникових лазерів

Наведемо позитивні риси НЛ [1, 3, 5]:

1. Малі габарити, компактність: теоретично мінімальні розміри резонатора близькі до 10 мкм. На відміну від інших видів лазерів у напівпровідникових генерація пов’язана не з окремими дискрет­ними рівнями, а з переходами зона — зона, тому оптичне посилен­ня може бути дуже значним.

2. Високий ККД, що наближається до теоретично граничного значення (100 %). Як і у світлодіодах, η_int - 100 %; втрати на відбиття при виводі світлового променю, перпендикулярно гра­ниці розділу кристал — повітря, можуть бути зменшені до одиниць відсотків.

3. Зручність збудження. Основний механізм накачування — ін­жекційний — по величинах живлячих напруг і струмів сумісний з інтегральними схемами, а, крім того, дозволяє змінювати ви­хідну потужність без застосування зовнішніх модуляторів.

4. Висока швидкодія при роботі лазера в режимі перемикання: граничне теоретичне значення часу релаксації близько до 10^-12 с, експериментально отримано менше 10^-10 с.

5. Можливість генерації необхідної спектральної лінії. Це дося­гається вибором або синтезом прямозонного напівпровідника з не­обхідним значенням W_g. Експериментально лазерна генерація за різних механізмів накачування спостерігалася більш ніж у трьох десятках напівпровідників з перекриттям діапазону за довжиною хвилі від 0,2 до 20 мкм.

6. Відносна простота відведення тепла, обумовлена малими га­баритами й високим ККД приладів.

7. Технологічна сумісність із елементами оптичних інтеграль­них схем (див. розділ 6).

Напівпровідниковим лазерам властиві й певні недоліки:

• низька ступінь когерентності випромінювання, що призво­дить до чималої ширини спектру випромінювання Δλ , що пояснюється високою густиною активної речовини, малою довжиною резонатора і малою вихідною апертурою;

• обмежений термін служби, обумовлений високою щільністю струму накачування, технологічними недосконалостями, а також недостатньою вивченістю деградаційних явищ, хоча в останні роки він значно виріс. Невисока температурна й ра­діаційна стійкість НЛ для дуже багатьох випадків застосуван­ня не створює принципових обмежень.

4. Експлуатаційні проблеми напівпровідникових лазерів та шляхи їх подолання

У процесі експлуатації лазери частіше виходять з ладу, ніж звичайні світлодіоди. Існують поступові (деградаційні) і катастро­фічні припинення їх функціонування. Деградація інжекційних напівпровідникових лазерів пов’язана з дуже високими щіль- ностями електричного струму, потоків оптичної й теплової потуж­ності, характерними для їхньої роботи. Катастрофічна відмова, властива режимам одержання максимальної, потужності випромі­нювання, полягає, як правило, у руйнуванні дзеркальних повер­хонь резонатора або в появі тріщин, оплавлень поблизу активної області генерації. Крім таких технологічних недоліків, як тріщи­ни й сильні механічні напруги, низька якість контактів і тепло- відведення, основною причиною катастрофічних відмов є висока щільність оптичної потужності, що впливає на дзеркала резона­тора.

Одним з ефективних шляхів зменшення ймовірності катастро­фічних відмов е зниження електричного навантаження (це цілком прийнятно для більшості оптоелектронних пристроїв, що викори­стовують лазери), а також уведення технологічних тренувань і від­браковувань.

Більш складною є справа з поступовою деградацією НЛ. Дослід­ження показали, що деградація напівпровідникових лазерів по­в’язана не з генерацією світла, а із тривалим протіканням через структуру електричного струму великої щільності; механізм ста­ріння той самий, що й у світловипромінювальних діодів, але всі процеси перебігають значно інтенсивніше.

Основним деградаційним ефектом є збільшення концентрації безвипромінювальних центрів в активній області за рахунок мі­грації атомів (іонів) неконтрольованих домішок і утворення нових дефектів. Крім того, мають місце часткова дезактивація випро­мінювальних центрів, а також зростання поверхневих витоків і швидкості поверхневої рекомбінації.

До числа найважливіших технологічних засобів уповільнення деградації належать:

• оптимізадія напівпровідникового матеріалу в напрямку до­сягнення однорідності його структурних і температурних вла­стивостей у всіх областях кристала (так, наприклад, різке під­вищення довговічності ПГС-лазерів досягнуто при додаванні невеликої кількості А1 або Р у активний середній шар);

• удосконалювання конструкції кристала: застосування дуже «дрібної» полозкової структури, підвищення міцності й теп­лопровідності контактів і т. п.;

• поліпшення монтажу кристала й тегіловідведення.

Теоретичні оцінки показують, що межа довговічності інжек­ційних НЛ може перевищувати 10⁵ годин, експериментально-тех­нологічні роботи, проведені в багатьох лабораторіях світу, уже підтвердили термін роботи 10⁴ годин. ККД інжекційних лазерів досягає 70...90 % .