ЛЕК Устр и действ / Устройство и действие Л-5

Полупроводниковые лазеры (9)

В то время как структура квантовой ямы может удерживать электроны только в одном направлении, то есть в плоскости квантового слоя, квантовые нити и квантовые точки обеспечивают удержание в двух и трех измерениях соответственно. Это приводит к дальнейшему улучшению КПД лазера. Более того, по сравнению с обычными диодными лазерами, использование полупроводниковых структур на квантовых точках позволяют увеличить производительность, расширить полосы модуляции, понизить порог генерации, относительной шум интенсивности и температурную чувствительность. Активная область лазера на квантовых точках может быть сконструирована, варьируя состав, размер и количество точек для работы на различных длинах волн, что не представляется возможным для обычной полупроводниковой лазерной техники.

Лазеры с распределенной обратной связью (РОС, DFB)

Обычные диодные лазеры имеют достаточно широкую частотную полосу усиления, чтобы вместить несколько продольных мод излучения. Поэтому у них при изменении температуры и других условий эксплуатации, доминирующая продольная мода может поэтому меняться от одного значения к другим соседним, что приводит к нестабильности в выходной мощности и длины волны. Существуют приложения, где эта нестабильность является крайне нежелательной, например, оптико-волоконная связь, где нестабильность в выходной длины волны вызывает хроматическую дисперсию в волокне, что ограничивает качество передачи информации. Стабильной длины волны лазера требуют также и практически все метрологические применения, включая лидары. В лазерах с распределенной

обратной связью (РОС или DFB лазерах) для создания обратной связи одна из гетерограниц делается гофрированной, что создает периодическое изменение показателя преломления и приводит к интерференционному отражению (см. рис.). Период решетки выбран таким, чтобы для отражения в обратном направлении выполнялось условие Брэгга:

λ = 2nd, где: n –показатель преломления активной среды, d – период решетки.

Полупроводниковые лазеры (10)

Период решетки имеет порядок 100 нм (в арсенид-галлиевом лазере, например, он составляет 130 нм). Условие отражения от периодической структуры выполняются для лучей обоих направлений. Таким образом, периодическая решетка создает обратную связь в обоих направлениях, распределенную по всей длине лазера. Поскольку обратная связь, создаваемая периодической решеткой, является селективной, то в РОС-лазерах обеспечивается режим одномодовой генерации.

Наиболее эффективно преимущества селективной обратной связи реализуются в лазерах с двойной гетероструктурой (ДГС РОС лазеры). РОС лазеры отличаются температурной стабильностью частоты генерации, которая однозначно определяется оптическим периодом решетки. Коэффициент температурной зависимости длины волны излучения типичного РОС-лазера составляет 0,1 нм/град и определяется температурной зависимостью показателя преломления. Это позволяет перестраивать частоту излучения добавив блок управления температурой лазера. Простота реализации — это главное и очень существенное преимущество перестраиваемых РОС-лазеров. Однако, существенный недостаток таких лазеров — ограниченная область перестройки частоты.

Лазеры с вертикальным резонатором (поверхностно-излучающие лазеры)

Большие значения показателя усиления, достижимые в квантоворазмерных гетероструктурах, позволя-ют создавать лазеры с очень малой длиной активной среды, в которых излучение происходит не с торца гетероперехода, а с его поверхности. Такие лазеры получили название лазеров с вертикальным резонато-

ром (Vertical Cavity Surface Emitting Laser - VCSEL) из-за расположения основных элементов в них (рис.)

В отличие от геометрии традиционных лазеров, в лазерах с вертикальным резонатором ось резонатора перпендикулярна плоскости расположения гетероструктуры, а длина активной области равная толщине гетерострук-

туры, очень мала (обычно единицы микрометра).

Полупроводниковые лазеры (11)

Зеркала резонатора наносятся на излучающие поверхности, через которые пропускается электрический ток. Они выполнены в виде чередующихся четвертьволновых слоев с разными показателями преломления. В лазерах с вертикальным резонатором максимальное усиление должно быть обеспечено в направлении, перпендикулярном гетеропереходу, а в плоскости перехода оно должно быть подавлено. Поскольку эффективный показатель усиления активной среды должен превышать 1000 см–1, то в активной области используются двойные гетероструктуры, содержащие набор квантовых ям, квантовых нитей или квантовых точек. За счет уменьшения апертуры рабочей области в лазерах с вертикальным резонатором удается выделить одну поперечную моду. Однако уменьшение рабочей области ограничивает достижимую выходную мощность, типичные значения которой лежат в диапазоне десятых долей милливатта. Длина резонатора лазеров с вертикальными резонаторами составляет всего несколько длин волн. Расстояние между продольными типами колебаний велико, что облегчает работу лазера в одночастотном режиме.

Лазеры с внешним вертикальным резонатором (VECSEL)

В лазерах с вертикальным резонатором (VCSEL), два зеркала или выращивают эпитаксиально как часть диодной структуры или выращивают отдельно и затем соединяют с полупроводниковым чипом, имеющего активную область. Лазеры внешним вертикальные резонатором (Vertical External-cavity Surface-emit ting Lasers - VECSELs) являются вариантом VCSEL, когда резонатор комплектуется зеркалом размещенным вне диодной структуры, как показано на рис.

По сравнению с другими типами полупроводникового диодных лазеров, VECSELs, благодаря увеличению размеров резонатора способны генерировать гораздо более высокие мощности при высоком оптическом качестве луча. В случае VECSELs, резонатор может содержать некоторые дополнительные оптические элементы, такие как оптический фильтр, чтобы облегчить настройку длины волны или насыщающегося поглотители для пассивной синхронизации мод для генерации пикосекундных и фемтосекундных импульсов на частоте повторения в гигагерцы

Полупроводниковые лазеры (12)

Вставка нелинейного кристалла в полость резонатора позволяет получить удвоение частоты, в результате чего можно создать лазерные устройства с красными, зелеными и синими лучами.

Как правило VECSEL имеет Брэгговские решетки на границах активной среды на квантовых нитях или точках. Типичные комбинации материалов, используемых для создания различных диапазо-нах длин волн включают подложки GaAs, активную область из InGaAs и Брэгговских решеток, выращенных из AlAs и GaAs. Эта структура подходит для генерации длин волн в области 960-1030 нм. Излучение в 1.5 мм области можно получить, используя в качестве подложек фосфида индия (InP), индия арсенида галлия фосфида (InGaAsP) для активной среды на квантовых ямах и комбинацию из фосфид индия/индия галлия арсенида алюминия (InP/InGaAlAs) для Брэгговских отражателей. Для более длинных волн, таких как 2,0 мм используют подложки из галлия индия антимонида (GaAlSb) активная среда на квантовых ямах делается из антимонида галлия (GaSb).

Диодные лазеры с внешним резонатором

В основном схема диодного лазера с внешним резонатором (ECDL) аналогична VECSEL, который по сути и есть именно такой лазер, т.е. ECDL полупроводниковый лазер диода, хотя бы один из оптических элементов которого находится вне лазерного чипа. В простейшей форме расходящееся излучение выходит из активной среды через покрытый просветляющим покрытием торец, коллимируется внешним объективом и направляется на частично отражающее зеркало, что обеспечивает оптическую обратную связь и формирует выходной луч лазера. Более

длинный резонатор ECDL позволяет снизить фазовые шумы и уменьшить ширину спектральной линии излучения в результате увеличения времени затухания внутри полости резонатора. Внешний резонатор также открывает возможность введения внутрь полости подходящих оптических элемен тов для спектральной селекции, управления добротностью и синхронизации мод. Дифракционные решетки внутри резонатора обычно используются для настройки и селекции длин волн. Перестройки длины волны достигается за счет изменения ориентации решетки.

Диодные лазеры с внешним резонатором находят широкое применение в спектроскопии, для перестройки узкой спектральной линии источника света.

Полупроводниковые лазеры (13)

Диодные лазеры с оптической накачкой

Некоторые из проблем такие как большая расходимость, асимметрия и астигматизм излучения обычных полупроводниковых лазеров, в значительной степени преодолеваются в лазерах с вертикальным резонатором (VCSEL). Еще более достоинства лазеров с вертикальным резонатором с точки зрения оптического качества реализуется при использовании в них внешнего резонатора (VECSEL). Однако, при обычной электрической накачке лазеры с вертикальном резонатором существенно уступают обычным диодным лазерам по уровню выходной мощности, поскольку технически очень обеспечить большую площадь контакта для электрической накачки. Увеличение площади электродов приводит к росту потерь, и поэтому не желательно. Решение заключается в использовании оптической накачки другим диодным лазера, как показано в упрощенном схематическом рисунке расположении. Полупроводниковый лазер с оптической накачкой (OPSL) по сути является лазером с вертикальным внешним резонатором.

Как видно из рисунка, излучение накачки входит в микросхему под углом. Геометрия внеосевой накачки облегчает использование нескольких источников накачки, расположенных по азимуту для генерации более высокой выходной мощности. Такая схема также обеспечивает разделение пучков света от источников накачки и собственного излучения лазера, формируемого резонатором.

Неколлинеарные лучи от нескольких источников накачки хорошо заполняют площадь воздействия и снижают эллиптичность, характерную для одного источника. Диодные лазеры с оптической накачкой (OPSL) имеют некоторые преимущества по сравнению с ТТЛ также с диодной накачкой, с точки зрения гораздо менее строгих к спектральному диапазону источника накачки и отсутствию теплового линзирования. Также их большим преимуществом является возможность легкой настройки в широком диапазоне длин волн излучения вместе с обеспечением излучения на одной продольной моде. Например, режимы работы с удвоением и утроением частоты излучения для лазера InGaAs с оптической накачкой позволяют получить излучение перекрывающее почти весь видимый диапазон (355-577 нм).

OPSL технология позволяет найти многих новых применений или улучшить многие существующие

Полупроводниковые лазеры (13)

Полупроводниковый лазер с электронной накачкой

При бомбардировке полупроводника быстрыми электронами с энергией W ≈103—106 эв в кристалле рождаются электронно-дырочные пары. Количество пар, создаваемое одним электроном ̴W/3 E. Этот способ применим к полупроводникам с любой шириной запрещенной зоны. Выходная мощность полупроводниковый лазер достигает 106 Вт, что объясняется возможностью накачки большого объёма полупроводника .

Полупроводниковый лазер с электронной накачкой содержит электронную пушку, фокусирующую

Квантово-каскадные лазеры (2)

В отличии от них квантово-каскадные лазеры - однополярные устройства, лазерное излучение происходит в результате оптических внутризонных переходов между электронными связанными состояниями, так называемые минизоны проводимости, которые образуются в ультратонких полупроводниковых структурах типа квантовых ям за счет пространственного окружения. Усиление света в этом случае происходит в периодической структуре из каскада активных и инжекционных областей, как показано на рис. Можно управлять длиной волны, испускаемой лазером, путем аккуратного контроля толщины структуры кванто-

Квантово-каскадные лазеры (3)

Вначале разработки квантово-каскадных лазеров использовались практически те же полупроводниковые материалы и их комбинации, что и в обычных, например InGaAs/InAlAs с подложкой из InP. Достоинством квантово-каскадных лазеров на InP является их высокая мощность и способность работать при обычной температуре.

Также распространенными материалами для этого типа лазеров является GaAs/AlGaAs с переменной глубиной квантовой ямы в зависимости от алюминиевой фракции в барьерах. Эти устройства были успешно использованы для создания лазеров терагерцового диапазона.

Переменные по толщине слои различных полупроводниковых материалов, образующих кванто-вые гетероструктуры выращивают на подложке, используя различные методы, такие как молекулярнолучевую эпитаксию (МBE), металло-газофазной эпитаксию (MOVPE) и металло-химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD).

Вконструкциях квантово-каскадных лазеров используются резонаторы различных типов. К ним относятся резонаторы Фабри-Перро, брэгговские решетки с распределенной обратной связью и конструкции с внешним резонатором. Резонатор Фабри-Перро является наиболее простым. Края кристаллического полупроводникового устройства скалываются образуя резонаторную полость с двумя параллельными зеркалами. Лазеры с резонаторами Фабри-Перро способны обеспечить хорошую энергетическую эффективность при высоких рабочих токах, хотя выходное излучение, как правило, многомодовое. Изменять длину волны излучения в них можно путем изменения рабочей температуры устройства. Квантово-каскадные лазеры с РОС (DFB) могут работать только на определенной параметрами брэгговской решетки длине волны. Это позволяет DFB QCL работать на одной длине волны даже при более высоких рабочих токах.

К настоящему времени была продемонстрирована лазерная генерация в диапазоне значительной ширины – от 3 до 200 мкм. Однако пока не выявлено никаких фундаментальных ограничений, и можно ожидать, в принципе, еще большего расширение спектрального диапазона квантово-каскадных лазеров.

Характеристики диодных лазеров (1)

Характеристики диодных лазеров

Важные характерные параметры диодных лазеров относятся либо к их вольт-амперным характеристикам (ВАХ) либо к характеристикам излучения. К первым относятся пороговый ток, эффективность наклона и линейность ВАХ, а ко вторым расходимость луча, ширина спектральной линии и поляризация лазерного излучения. Большинство характерных параметров чувствительны к изменениям температуры.

Пороговый ток

Пороговым током называется минимальный ток инжекции необходимый для достижения устойчивой работы лазера. Когда ток инжекции ниже порогового значения, большая часть электрической энергии рассеивается в виде тепла и преобразования в лазерное излучение будет крайне неэффективным. Поэтому высокие значения порогового тока означают, что больше электрической энергии должна рассеиваться в виде тепла. Плотность тока определяется как отношение порогового тока в активной области к ее площади и измеряется в единицах A×cm-2, и эта характеристика определяет время жизни лазера. Более высокая пороговая плотность тока сокращает срок службы лазерного диода. ВАХ лазерного диода. Пороговый ток является функцией температуры и быстро возрастает с ее увеличением. Изменение

порогового тока Is(ΔT) в зависимости от изменения температуры T вычисляется из уравнения :

Is( T) = Is(T)×[exp( T/ T0) – 1]

где Is(ΔT) - пороговый ток в абсолютной температуры Т,

T0 - характерная температура каждого вида лазера (например T0 лежит в пределах 120-230К для GaAlAs и 60-80К для InGaAsP диодных лазеров). Чем ниже значение T0, тем более чувствительной

является лазер к изменениям температуры. Сдвиг в величине порогового тока происходит в основном за счет температурной зависимости концентрации носителей в активном слое и вероятности нерадиационных процессов рекомбинации. Повышение температуры также отрицательно влияет на срок службы лазера, поскольку это приводит к увеличению пороговой плотности тока. Срок службы растет примерно в два раза при снижении температуры кристалла на 10°C. Температурой можно управлять, устанавливая лазерный

кристалл на теплоотвод.