Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Приборы квантовой и оптической электроники светоизлучающие и лазерные структуры. Курс лекций
.pdf
6.5. Устройство и спектр генерации
инжекционных лазеров
В полупроводниковом инжекционном лазере резонатор образован двумя отражающими плоскостями, перпендикулярными p-n-переходу. Отражение от этих плоскостей составляет
20…40 %, что вполне достаточно для создания положительной
обратной связи, необходимой для генератора. Отражающие плоскости могут быть получены полировкой или скалыванием кристалла. Например, арсенид галлия легко раскалывается вдоль
плоскости (110) и для перехода следует выбирать перпендикулярную ей плоскость (100). Вследствие того что большинство полупроводников имеют высокий показатель преломления (n = 3,6
при 840 нм для GaAs), граница полупроводник–воздух имеет
высокий коэффициент отражения, который дополнительно может быть увеличен с помощью серебрения поверхности. Две другие поверхности лазера шлифуют или просто оставляют необработанными, чтобы снизить коэффициент отражения от них.
На рис. 6.5 представлено устройство полупроводникового элемента инжекционного лазера. Направление потока оптической
генерации расположено вдоль оптической оси резонатора Фабри – Перо. Полупроводниковые инжекционные лазеры обладают значительной шириной и многомодовостью спектра генерации. Спектральное расстояние между аксиальными модами Dl
определяется из условия (4.5).
Рис. 6.5. Схема устройства лазерного элемента инжекционного лазера: а – лазеры с обычным диодом; б – лазеры с плоским
контактом; в – лазеры с плоской мезаструктурой
На рис. 6.6 представлены типичные спектры излучения лазера на GaAs при температуре 77 К. При малых токах накачки
81
излучение структуры является спонтанным, и его спектр охватывает интервал шириной приблизительно 30 нм на полувысоте
(рис. 6.6, а). При увеличении тока накачки появляется вынужденное излучение и наблюдается уменьшение ширины линии
спектра вследствие усиления спонтанного излучения при каждом вынужденном переходе.
Рис. 6.6. Спектры излучения лазера на GaAs (77 К) при различ-
ных токах накачки: а – очень малый ток утечки; б – ток немного
меньше порогового; в – ток немного меньше порогового
При достижении тока накачки немного выше порогового значения в спектре излучения в ряде случаев удается различить структуру, связанную с усилением света интерференции при длинах волн, соответствующих условию Фабри – Перо
(рис. 6.6, б). При дальнейшем увеличении инжекционного тока
лазер переходит порог и появляется генерация. Для порогового
тока резко увеличивается эффективность излучательной рекомбинации с эмиссией света в одной или нескольких спектральных
линиях (рис. 6.6, в). При токах накачки значительно больше по-
82
рогового значения наблюдаются несколько мод, отстоящих одна
от другой приблизительно на 0,2 нм.
Вблизи порога генерации интенсивность мод излучения возле
максимума спонтанной линии увеличивается сверхлинейно, и в
результате генерация происходит на одной или нескольких модах, совпадающих с максимумом спектральной линии спонтанного излучения или вблизи него. Ширина лазерной линии спектра очень мала – приблизительно меньше 1,2·10–3 эВ при 4,2 К.
Лазерная линия практически не сдвигается при увеличении
тока накачки. Вместо сдвига появляются новые моды при более
высоких энергиях, если преобладают тепловые эффекты – более
низких.
Теоретический расчет формы спектральной линии спонтанного и индуцированного излучений (для 77 К) показывает, что при
большом усилении их максимумы совпадают, а при малом усилении генерация вынужденного излучения появляется на длинноволновом крае линии спонтанного излучения, что согласуется
с экспериментальными результатами. Малое усиление на вблизи
порога достигается путем серебрения зеркал резонатора или увеличением длины резонатора.
Диаграмма направленности излучения
Угловое распределение интенсивности лазерного излучения
за пределами резонатора зависит от структуры активной области
и часто довольно сложна.
Диаграмма направленности оптического излучения полупроводникового лазера представляет собой распределение поля в
простейшем случае в виде эллипсоида, который расширяется в
направлении, перпендикулярном плоскости перехода (рис. 6.7).
Угол, под которым расходится пучок излучения в направлении,
перпендикулярном плоскости перехода, и составляет величи-
более 40°, а в направлении, параллельном плоскости p-n-
ну q
^
перехода, q|| меньше 20°.
Оптическую модель полупроводникового инжекционного лазера можно представить следующим образом. Активная область
в инжекционном лазере представляет собой тонкий слой (1 мкм)
в p-области p-n-перехода. Коэффициент преломления в активной
области n2 имеет величину большую, чем в прилегающих слоях n1 и n3, на основе соотношений Крамерса – Кронига (n2 > n1
83
и n2 > n3). Скорости света в отдельных областях различны
< c/n1 или c/n3), поэтому волновой фронт распространяется
(c/n
2
в центре активной области медленнее, чем по краям, и получается вогнутым по оси резонатора. В результате эта форма фронта волны обеспечивает фокусирующее или волноводное свойство
активной области. Высокая эффективность полупроводниковых
инжекционных лазеров определяется локализацией излучения
в активной области, играющей роль волновода.
Рис. 6.7. Расходимость и диаграмма направленности излуче-
ния инжекционного лазера: а – зависимость излучаемой мощ-
ности от угла во взаимно перпендикулярных направлениях
Ox и Oy; б – диаграмма направленности (ширина диаграммы
определяется на уровне половинной мощности)
Из-за того что толщина активной области t мала (см. рис. 6.2),
появляется эффект дифракции оптического излучения на узкой
щели. В результате излучение выходит из тонкого волновода в
виде пучка, расходящегося в плоскости, перпендикулярной к
активному слою (вертикальная диаграмма направленности).
Угол расходимости пучка излучения q^ на уровне половины максимальной интенсивности составляет
q
= l/t (6.18)
^
и в инжекционных лазерах велик из-за малого значения t.
Диаграмма направленности излучения (см. рис. 6.7) в плоскости p-n-перехода (горизонтальная диаграмма) уже, чем в перпендикулярной плоскости (вертикальная диаграмма), так как ширина активной области W = 100 мкм.
84
6.6. Инжекционные гетеролазеры
на односторонней и двухсторонней
гетероструктурах
К инжекционным гетеролазерам относятся лазеры, изготовленные на основе гетероструктур. Лазерная инжекционная
структура может быть изготовлена на основе односторонней гетероструктуры (ОГС) и двухсторонней гетероструктуры (ДГС).
Применение гетероструктур при изготовлении лазеров дает возможность устранить ряд недостатков лазеров на гомопереходах.
Основные недостатки лазеров на гомопереходах следующие:
1) необходимая для начала генерации большая величина пороговой плотности тока и ее сильная зависимость от температуры требуют использования сложных систем охлаждения и применения импульсных схем питания;
2) высокий КПД получается только в режиме генерации: величина внешнего квантового выхода составляет лишь доли
процента, если плотность инжекционного тока ниже величины порогового тока, и значительно увеличивается только после
превышения порога генерации. Из-за высокой плотности тока
порога (для лазеров, изготовленных из GaAs, при комнатной
температуре jп = 5· /см2) рабочие значения токов не могут быть
существенно больше порога. Даже при достаточно высокой величине внутреннего квантового выхода для структур на гомопереходах внешний квантовый выход не превышает 2…3% при 300 К
и путей его дальнейшего повышения не видно.
3) вследствие большой плотности порогового тока долговечность оказалась низкой при комнатной температуре – деградация
рабочих параметров начинается через несколько часов работы.
Физические причины недостатков инжекционных лазеров на
гомопереходах:
1) для получения инверсной населенности требуется использовать p-n-переход с высоким уровнем легирования областей,
при котором уровень Ферми располагается в разрешенных зонах. Сильное легирование полупроводника приводит к высокой
плотности подвижных носителей заряда и большой концентрации дефектов в активной области, а, значит, к большим потерям
вследствие поглощения уже сформированного излучения на свободных носителях и рекомбинации на дефектных центрах;
85
2) концентрация инжектированных электронов и дырок в гомоструктурах плавно спадает в обеих областях p-n-перехода, и
вследствие этого области инверсной населенности и рекомбинации разделены в пространстве (рис. 6.8). Это значит, что возрастают потери на рекомбинацию в пассивных областях;
Рис. 6.8. Распределение неравновесных носителей заряда (а)
и схематическое изображение инжекционного гомолазера (б);
d – ширина активной области; D – ширина области рекомби-
нации
3) дополнительные потери в результате дифракции излучения
в области, прилегающей к активной, возникают из-за возбуждения тонких слоев полупроводниковых лазеров. Величина потерь
определяется степенью проникновения электромагнитной волны в прилегающие p- и n-области.
Вследствие значительных потерь для их компенсации и достижения генерации необходим высокий коэффициент усиления, т.е. высокая пороговая плотность тока. Из-за того что есть
в принципе неустранимые потери, внешний квантовый выход
значительно ниже внутреннего и в результате даже при низких
86
температурах принципиально недостижим близкий к единице
квантовый выход.
Принципиально изменяет ситуацию использование гетероструктур. Для достижения эффективной генерации лазерного
диода необходимо добиться эффективного удержания инжектированных неосновных носителей заряда и излучения в активном
слое, который одновременно является и областью рекомбинации.
Обе эти задачи решаются успешно с помощью использования
гетеропереходов. Локализация оптического излучения, расположенного в активном слое и распространяющегося вдоль него,
обеспечивается изменением коэффициента преломления на границах активного слоя, а удержание инжектированных носителей заряда в активном слое обеспечивается потенциальными
барьерами для этих носителей, образованных при контакте материалов с различной шириной запрещенной зоны и образования гетеропереходов.
Инжекционные лазеры на односторонних
гетеропереходах
Односторонние гетеропереходы представляют собой комбинацию гетероперехода (как правило, p-n-типа) и p-n-перехода.
Гетеропереход расположен на расстоянии, меньшем диффузионной длины инжектируемых носителей заряда от p-n-перехода.
ОГС формируются гетероэпитаксиальным наращиванием с дальнейшей диффузией легирующей примеси в подложку для образования p-n-перехода.
Например, в ОГС, изготовленной на основе GaAs, на подложку n-типа проводимости наращивали слой p-Al
xGa1–x
As толщиной 0,05…1 мкм методом жидкостной эпитаксии с большей
шириной запрещенной зоны, чем у GaAs. Акцепторы, диффундирующие из слоя AlxGa
As толщиной около 2 мкм, образуют
1–x
p-p-переход, который эффективно влияет на распределение инжектированных электронов, так как препятствует их диффузионному растеканию от p-n-перехода (рис. 6.9).
В зоне проводимости на гетеропереходе между слоями 2 и
3 формируется ступенька (рис. 6.9, б). При прямом смещении
(рис. 6.9, в) электроны инжектируются в слой 2 и задерживаются
в этой области благодаря наличию барьера в зоне проводимости.
87
Рис. 6.9. Схема инжекционного гетеролазера на ОГС: а – по-
перечный разрез; б – диаграмма энергетических зон, нулевое
смещение; в – диаграмма энергетических зон, большое смеще-
ние, вызывающее инверсную заселенность в области 2
То есть потенциальный барьер в p-p-гетеропереходе ОГС обеспечивает ограничение объема активной области (эффект электронного ограничения). Благодаря тому что инжектированные
электроны удерживаются в активном слое, не растекаясь в пассивные области, они используются для усиления света наиболее эффективно. Эта конструкция также позволяет значительно
снизить оптические потери. Поскольку GaxAl
As (область 3)
1-x
имеет большую ширину запрещенной зоны по сравнению с GaAs
(области 1 и 2), то коэффициенты преломления и поглощения
у него меньше, чем у активной области из GaAs. Гетеропереход
способствует появлению волноводного эффекта, в результате
которого волна локализуется в активном слое. Вследствие этого
необходимый уровень накачки достигается при меньшей плотности тока.
Инжекционные лазеры на двухсторонней
гетероструктуре
Дальнейшее снижение плотности порогового тока (ниже
2
1 кА/см
при 300 К) достигается за счет двухсторонних гетероструктур (ДГС) и их более сложной модификации. Также как
для ОГС используются эффекты «электронного» и «оптического» ограничений.
Двухсторонняя гетероструктура включает два гетероперехода:
один – инжектирующий носители заряда, другой – ограничива-
88
ющий их диффузионное растекание. Активная область расположена между гетеропереходами. Например, в ДГС на основе твердых растворов AlxGa
≈ 1,8 эВ), p-GaAs (DEg = 1,4 эВ) и n-AlxGa
(DE
g
As в структуру входят слои p-AlxGa
1-x
As (DEg ≈ 1,8 эВ).
1-x
1-x
As
В такой лазерной структуре активная область представляет
собой тонкий слой толщиной приблизительно 0,3 мкм с меньшей
шириной запрещенной зоны и большим показателем преломления. Носители заряды (электроны и дырки) инжектируются в
него из соседних областей n-AlxGa
As и p-AlxGa
1-x
As соответ-
1-x
ственно (рис. 6.10).
Рис. 6.10. Схема инжекционного лазера на ДГС
89
Области с инверсной населенностью и рекомбинации полностью совпадают и сосредоточены в среднем слое (полупроводник
с наименьшей шириной запрещенной зоны). Благодаря наличию
потенциальных барьеров на границах гетеропереходов (двойное
электронное ограничение) рекомбинационные потери в пассивных областях отсутствуют, и электронно-дырочная плазма сосредоточена в потенциальном ящике среднего слоя.
Кроме того, в ДГС появляется оптический волноводный эффект, позволяющий уменьшить пороговый ток генерации. Этот
эффект позволяет локализовать излучение в активном слое,
даже если толщина этого слоя уменьшается до долей микрометра. Волновод для оптического излучения, распространяющегося вдоль гетероструктуры, образуется узкозонной полупроводниковой прослойкой, обладающей более высоким показателем
преломления, чем прилегающие широкозонные слои.
На двойной гетероструктуре AlxGa
As/GaAs был впервые
1-x
практически реализован непрерывный режим работы полупроводникового лазера.
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]