1. Инжекционные полупроводниковые лазеры

Рассмотренные светоизлучающие диоды являются источником некогерентного излучения, т.е. излучение представляет собой поток фотонов различной частоты, поляризации и разности фаз. Источникомкогерентного излученияслужит лазер (оптический квантовый генератор – ОКГ). Частота, поляризация и разность фаз колебаний лазерного излучения являются практически неизменными. Для различных целей созданы определенные типы лазеров: твердотельные, жидкостные, газовые.

Инжекционные полупроводниковые лазеры(ИППЛ) представляют собой основной элемент излучательной когерентной оптоэлектроники. Принцип действия и конструктивные особенности таких лазеров и светодиодов во многом сходны. Основным принципиальным отличием лазеров является наличие оптического резонатора, в котором находится активная зона лазера. Резонатор, необходимый для генерации когерентного излучения, формируют путем шлифовки противоположных и перпендикулярных плоскости перехода граней кристалла. Две другие перпендикулярные плоскости перехода грани делаются шероховатыми, чтобы исключить излучение в направлениях, не совпадающих с главным (рис. 7.16). Такая структура называетсярезонатором Фабри-Перо, она играет роль положительной обратной связи для активной среды.

Рассмотрим процесс усиления электромагнитного излучения. Если в активной среде создана инверсия населенностей, то возникший в ней фотон может вызвать переход электрона с верхнего уровня на нижний с испусканием второго фотона. Этот процесс называют вынужденным, илистимулированным,излучательным переходом. В случае p-n-перехода это акт излучательной рекомбинации (рис. 7.16,б).

Вероятность такого перехода максимальна, если частота первого фотона равна

. (7.107)

Второй фотон, естественно, будет иметь такую же частоту, фазу и поляризацию. Эти фотоны стимулируют генерацию еще двух фотонов. Таким образом, происходит усиление электромагнитной волныв активной среде, причем усиленный сигнал сохраняет характеристики сигнала, входящего в систему.

Как уже говорилось, условием для создания инверсии населенностей в p-n-переходе является выражение (7.103). Для усиления электромагнитной волны это условие является необходимым, но недостаточным. Достаточным условием будет превышение усиления, достигнутого за счет процессов излучательной рекомбинации над всеми возможными потерями. Интенсивность излучения

. (7.108)

где α – коофициент квантого усиления среды;

β – коэффициент потерь при поглощении и рассеянии;

l – длина пути;

I_вх(I_вых) – интенсивность входящего (выходящего) излучения.

В этом случае достаточное условие усиления (I_вых>I_вх) имеет видα>β. Квантовые усилители используются для промежуточного усиления светового сигнала в длинных световодах и практически не искажают проходящий сигнал.

Для превращения усилителя в генератор необходимо, как обычно, ввести положительную обратную связь. В электронных усилителях это достигается тем, что часть сигнала с выхода усилителя подают на его вход. В оптических квантовых генераторах (лазерах) данную функцию выполняют оптический резонатор. Обычно это параллельные зеркала, одно из них служит для вывода излучения и является полупрозрачным. Существуют и более сложные оптические резонаторы, например, с регулируемой прозрачностью одного из зеркал. В ИППЛ эту функцию выполняют гладкие грани кристалла. Как и всякий другой резонатор, оптический резонатор играет роль селектора электромагнитных волн: в нем отбираются лишь те из них, которые соответствуют параметрам резонатора, только они усиливаются в активной среде.

а)

б)

Рис. 7.16. Инжекционный полупроводниковый лазер на гомопереходе: а– структура;

б– зонная диаграмма; I – когерентное излучение; АО – активная область; Э – электрод

Напомним, что в ИППЛ используется резонатор Фабри-Перо, зеркала которого также вносят потери. При отражении от зеркала интенсивность света уменьшается в Rраз, гдеR– коэффициент отражения. Если учесть потери на зеркалах и зависимость (7.108) достаточное условие усиления будет иметь вид

, (7.109)

где R₁, R₂ – коэффициенты отражения зеркал.

Из последнего выражения очевидно, что ИППЛ имеет пороговый ток I_пор, при достижении которого возникает генерацияиндуцированного, когерентного излучения. При малых токах (I<I_пор) излучение являетсяспонтанным, т.е. некогерентным. Теоретически КПД ИППЛ может приблизиться к 100%, практически он намного меньше, поскольку мощность излученияP, пропорциональная величине прямого токаI_пр, ограничена пороговым током

. (7.110)

В гомолазерах пороговые токи велики и составляют 100-10⁴А/см при различных температурах. Высокие плотности тока приводят к разогреву кристалла. В непрерывном режиме работы лазера удастся отвести 30-40 Вт при температуре 4К, 10 Вт при температуре 77К и менее 1 Вт при комнатной температуре. Поэтому непрерывный режим возможен только при условии охлаждения, а в обычных условиях используют импульсный режим работы.

Гомолазеры не получили широкого распространения вследствие низких эксплутационных параметров, малого срока службы, большого I_пор, низкого КПД. Основными причинами этого являются:

- большая вероятность безызлучательной рекомбинации в вырожденных полупроводниках;

- поглощение излучения вне активной области;

- пролетание инжектируемых носителей в пассивную область.

Указанные недостатки могут быть устранены в геторолазерах. Преимущества гетеропереходов указаны в п. 7.9. В таком ИППЛ средним активным слоем служит материал с меньшей шириной запрещенной зоны, а эмиттерами – материалы с большой шириной запрещенной зоны (рис. 7.17, а). При включении гетероперехода в прямом направлении создается инверсия населенностей за счет высокого уровня инжекции электронов и дырок в узкозонную область. В этом случае нет необходимости в высокой степени легирования активной области, резко снижаются потери излучения, а следовательно, и пороговая плотность тока. При комнатной температуре она составляет 900 А/см². Квантовая эффективность геторолазеров достигает 70%. На рис. 7.17,бприведена зонная диаграмма n-p-p-гетеролазера, где материалами областей являются тройные соединения n-Al_x1Ga_1-x1, p-Al_x2Ga_1-x2As,p-Al_x3Ga_1-x3As. Изменяя стехиометрические коэффициенты, т.е. x1, x2, x3, можно изменять ширину запрещенной зоны.

d₂

d₁

d₁

d₂

E_C

E_V

hν

n

p

P

+

а)

б)

Рис. 7.17. Полупроводниковый лазер на n-p-P-гетероструктуре: а – расположение переходов; б – зонная диаграмма;d₁– толщина n-p-перехода;d₂– толщина p-P-перехода

Спектр применения лазеров на двойных гетеропереходах интенсивно расширяются. Эти лазеры используются в компакт-дисковых системах, волоконно-оптической связи, устройствах оптоэлектроники.