12.2. Наноэлектронды лазерлер

12.2.1. Горизонталды резонаторлары бар наноэлетроникалы лазерлер

Кез келген лазердің жұмыс істеуі үшін екі шарт орындалуын қамтамасыз ету керек. Біріншіден, энергетикалық деңгейлердің орналасу инверсиасын құру қажет, яғни төменгі деңгейге қарағанда жоғарғы деңгей көп болу керек. Жылулық тепе-теңдік кезінде деңгейлер бойынша электрондардың таралуы кері болады. Екіншіден, әрбір лазерге оптикалық резонатор немесе айналар жүйесі қажет. Мәжбүрленген рекомбинациясы кезінде сол жиілікке ие фазаға таралуына бағытталған фотондар генерацияланады. Кездейсоқ рекомбинация кезінде керісінше еркін бағыттағы және фазадағы фотондар генерацияланады. Қазіргі уақытта шалаөткізгіштікті лазердің ең көп таралған түрі екілік гетероструктурасы бар квантты шұңқыр негізіндегі лазерлер болып табылады. Оларда активті аймақ екі кең аймақты шалаөткізгіштердің арасына қыстырылған еңсіз шалаөткізгіштің жұқа қабығын көрсетеді.(12.1 сурет) .

Лазер келесідей жұмыс істейді. Бір контактыдан ( кең аймақты шалаөткізгіш) Электрондар жұмыстық зонаға түсіп инверсті орналасуды туғызады.

Кейін өткізгіштік зонадан валенттік зонаға өту кезінде олар электромагнитті сәулелену кванттарын шығарады, олардың жиілігі келесі шартпен анықталады.

Бұндай қатынасты материалдар жүйесіне алуға болады. Осы жағдайда, ішкі аймақ талшықты оптикалық толқынға ұқсас болып кетеді.

Квантты шұңқырлардағы лазерлер шалаөткізгішті лазерлеоге қарағанда бірнеше артықшылықтарға ие. Ең біріншіден, бұл құрылғыларды жұмыс аймағының қалыңдығын өзгерту арқылы энергетикалық спектрлердің параметрлерін басқара отырып, орнатуға болады. Осылай шұңқырдың өлшемін кішірейту арқылы электрондардың минималды Е_П1 және Е_П2 энергиялары өседі және сол кезде 12.1 формулаға сәйкес лазермен генерацияланатын сәулелену жиілігі де өседі. Квантты шұңқырдың енін таңдай отырып оптикалық байланыс сызығындағы толқынның өшуінің минималды шамасына жетуге болады.

Квантты нүктелердегі энергетикалық спект квантты шұңқырларға қарағанда радикалды түрде қзгереді. Күй тығыздығы функциясымен сипатталады. Осылай квантты нүктелерде электрондары бар болғанымен оптикалыө сәулеленуді күшейтуге қолданылмайтын күйлер болмайды. Бұл энергия шығынын және табалдырық токты – инжекциялық лазердің маңызды параметрі, азаяды. Кез келген лазерлер жүйесінде табалдырық токтың минималды шамасын қамтамасыз ету дұрыс. Бөлмелік температурада шектік табалдырық ток 15 А/см² дейін төмендетілуі мүмкін, осы уақытта квантты шұңқырлар негізіндегі лазерлерде ол 30 А/см² құрайды.

12.2.2 Вертикальды резонаторлары бар наноэлектронды лазерлер

Лазерлі техниканың дамуы төменгі табалдырықты токтық сәулелену модуляциясының жоғарғы жиілігіне ие миниатюралық лазерлердің пайда болуымен байланысты. Көрсетілген қасиеттердің байланысына наноэлектронды лазерлер, соның ішінде вертикальды резонаторы бар наноэлектрондв лазерлер ие. Бұндай типтегі лазерлер VCL деген атауларға ие болды.

Жартылайөткізгішті ЛВР кәдімгі жолақтық шалаөткізгіштер сияқты жұмыс жасайды: лазерлердің екі түрлерінде де Фабри- Перо резонаторы және активті аймақтағы квантты күшейту инжекция және электрон мен кемтіктің рекомбинациясы әсерінен болады. ЛВР – дың жолақтық шалаөткізгішті лазерден принципиалды айырмашылығы лазерлер резонаторын құру тәсілінен байқалады. Жолақтық шалаөткізгішті лазер шалаөткізгішті пластинаны кристалографикалық бағыт бойымен алынатын екі айна арқылы құрылған резонаторы бар. Осылай резонатордың өсі шалаөткізгіштік пластинаның жазықтығында жатыр. Шалаөткізгішті ЛВР де Фабри- Перо резонаторы бірдей технологиялық процесс нәтижесінде құрылатын брэгговтық айналар арқылы құрылған.

Вертикальды резонаторы бар лазердің структурасы 12.2 – суретте көрсетілген. Екі брэгговтық айналар лазердің резонаторын құрады. Бұл айналар шалаөткізгіштік ширек толқындық қабатты сыну көрсеткішімен құрылған ( ).

Лазердің брэгговтық айналар арасындалазердің активті аймағы бар шалаөткізгішті қабат оналасқан.

12.2- сурет. Вертикальды резонаторы бар наноэлектронды лазердің структурасы

ЛВР-дың активті аймағы бір немесе бірнеше жартылайөткізгішті кванттық шұңқырлардан және кванттық нүктелерден тұрады.

Активті аймақ жоғарғы квантты эффективке жету үшін легірленбейді. Жартылайөткізгішті брэгговтық айнаны қолданғанда активті аймаққа заряд тасушылардың инжекциясы айна арқылы орындалады. Лазер p-i-n структурасына ие.

Егер лазерде диэлектрлік брэгговтық айналар қолданылса, тасушылардың инжекциясы қосымша контактылы қабатпен жүзеге асады. Инжекцияның бұндай түрі ішкірезонаторлы инжекция деп аталады.

Лазерде ішкірезонаторлы инжекциямен арақашықтық болады.

Лазерлердің көбінде резонатордың толқын ұзындығы айналар арасындағы арақашықтық ретінде анықталады. ЛВР де айналар арасындағы арақашықтық брэггов айна қалыңдығынан кіші. Бұндай ЛВР үшін эффективті резонатор ұзындығы деген түсінік қолданылады.

Қарапайым ЛВР- дың апертурасы 10мкм болады, бұл лазерлік сәулеленудің аз таралатынын көрсетеді. Әдетте,лазерлік сәулеленудің симметриялық диаграммасының бағытын анықтайтын, ЛВР апертурсының төртбұрыш немесе шеңбер тәрізді формасы болады.

ЛВР- дың брэгговтық айналарына үлкен талап қойылады. Резонатордың бір орамға кететін күшеюі 1% құрайды. Лазердің резонаторында генерацияға жету үшін бейненің коэффициенті R 0,99 дан кіші болмайтын жоғарыкоэффициентті айна қажет.

Әдетте, шығыс ЛВР айналарында бейненің коэффициенті 0,99…0,995 болады. ЛВР тығыз айналарының бейне коэффициенті 0,999 жақын болады.

Коммерциялық ЛВР технологиялық талапқа сай бинарлы байланысты қолданады , ал қатты ерітінділер , бұл айнаның шағылу коэффициентін төмендетеді. Сонымен қатар, лазерлік структураларда оптикалық кедергілерді төмендету үшін, градиентті бетте қатты ерітінділерді қолданады, ол брэгговтық айнаныңда шағылу коэффициентін төмендетеді.

Шығыс айнада коммерциялық ЛВР- да әдетте 25 жұп қабаты бар, ал тығыз айнада – 35 жұп.

12.3-сурет. Наноэлектронды лазердің конструкциясы

12.4- сурет. ЛВР-дың Ватт- амперлік-тәуелділігі, T=300K

Кванттық шұңқыр негізіндегі лазердің конструкциясы 12.3суретте көрсетілген, ал ЛВР-дың Ватт- амперлік-тәуелділігі 12.4- суретте көрсетілген.

Осы лазердің шығыс айнасының 25 слойдан тұратын шағылу коэффициенті лазердің толқын ұзындығы 0,85мкм 0,99деңгеге сәйкес болады. Лазердің активті аймағы үш кванттық шұңқырдан GaAs ені 8нм тұрады.

Түстік толқынның айнаға енуіне байланысты резонатордың эффективті ұзындығы L_эфф ЛВР әдетте брэгговтық айна арасындағы ұзындықты ұзартады. ЛВР резонаторының эффективті ұзындығы 1 мкм.

ЛВР зерттеген және ойлап тапқан, активті аймақта бір немесе үш кванттық шұңқыры бар және резонаторы бар. Брэгговтық жартылайөткізгішімен жасалған және қабатымен.

Бір кванттық шұңқыры бар ЛВР үшін зоналық конфигурацияның диаграммасы 12.5 суретте келтірілген.

12.5-сурет. ЛВР үшін зоналық диаграмманың конфигурациясы

Апертураның А параметрі 2 ден 12 мкм дейін теңестіріледі.Лазердің сәулеленуі жарықталған табанынан шығады.

Бұл лазер аз оптикалық жоғалтулар мен жоғарғы лазер резонаторының қайырымдылығына ие.Лазердің резонаторы жоғарыэффективті төмен легірленген және легірленбеген шағылыстырушылармен жасалған,сондықтан бұл еркін тасушылармен жұтылудың оптикалық жоғалтылуларын төмендетеді.Оптикалық жоғалтылуларды төмендету мақсатымен барлық жоғары легірленген қабаттар (контактылық,апературалық,туннельдік) тұрушы толқынның түйіндерінде орналасады.

және қабаттарынан құрылған жоғарғы айна,ендік спектрлік диапазонда (700...1200нм) өте жоғары шағылу коэффициентімен сипатталады.Бұл диапазонның ортасында есептелген шағылу коэффициентінің шамасы 0,9999 құрайды.

айнасының шығыстары да жоғарғы шағылу коэффициентімен анықталады.

апературасы бар,үздіксіз толтыру режимінде жұмыс жасайтын лазердің ватт-амперлік сипаттамасы 12,6 суретте көрсетілген.Лазердің табалдырық тогы ,сыртқы кванттық эффективтілік ,толқынның жұмысты ұзындығы

Температураны төмендеткенде кванттық күшею коэффициенті өседі,сонымен қатар кванттық күшею жолағының максимумының жылжуы артады.