Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые лазеры

Инжекционный механизм накачки: диффузия электронов, находящихся в зоне проводимости, в активную область через p-n переход с последующей рекомбинацией электронов с дырками валентной зоны, сопровождающейся излучением → инжекционный лазер

GaAs-лазер на гомопереходе

p- и n-области выполнены из GaAs. Они легируются примесями до вырождения: уровни Ферми в p-области попадают в валентную зону, а в n-области – в зону проводимости

При приложении смещающего напряжения электроны из n-области диффундируют (инжектируются) в p-область, в области p-n перехода возникает инверсная населенность, и электроны рекомбинируют с дырками с испусканием кванта излучения

В лазере на GaA толщина активной области составляет порядка 1 мкм

Величина смещающего напряжения составляет порядка 1.5 В

Полупроводниковые лазеры

Ec

Ef

Ev

Eg

инжекция

квазиуровни Ec

Ферми

Eg

Полупроводниковые лазеры

Гомолазер на GaAs (вид с торца)

GaAs p-типа

каналы генерации

Размеры: 100 мкм по высоте, 200 мкм по ширине, 200-500 мкм по длине

Торцы кристалла делаются параллельными друг другу путем их скалывания вдоль кристаллографических плоскостей, что позволяет использовать их в качестве зеркал резонатора с коэффициентами отражения 30-40 %, что в условиях очень больших коэффициентов усиления достаточно для обеспечения обратной связи

Область p-n перехода расположена в середине кристалла по его высоте, на поверхностях кристалла формируются омические контакты, а сам кристалл устанавливается на теплоотводящую подложку

Полупроводниковые лазеры

Недостатки гомолазера:

1.Высокая пороговая плотность тока – примерно 105 А/см2 при комнатной температуре

2.Усиление возникает по всей ширине кристалла в области p-n перехода, и генерация возникает во многих каналах, что ухудшает свойства излучения

В лазере с полосковой структурой на поверхность кристалла наносится слой изолирующего покрытия, в котором ортогонально зеркалам вырезается полоса шириной порядка 10 мкм - ток локализован в пределах этой полосы, что позволяет избежать многоканальной генерации. Ограничение области усиления приводит к лучшему теплоотводу

Полосковая структура

GaAs p-типа

Полупроводниковые лазеры

Гетероструктура - область контакта двух разнородных полупроводников. Полупроводники должны обладать разной шириной запрещенной зоны, в то время как параметры их решеток должны как можно меньше различаться

Пример гетероструктуры: GaAs - Ga0.7Al0.3As

У GaAs ширина запрещенной зоны меньше, показатель преломления больше

Из-за различия ширин запрещенных зон возникает электронный барьер – электроны из полупроводника с меньшей шириной запрещенной зоны не могут диффундировать в полупроводник с большей шириной запрещенной зоны → величина инверсии возрастает, и плотности порогового тока становятся существенно меньшими

Различие в показателях преломления приводит к волноводному эффекту, возможно возникновение полного внутреннего отражения на границе полупроводников двух типов → излучение будет сосредоточено практически полностью в активной области

Полупроводниковые лазеры

Гетероструктура с ограничивающим p-P гетеропереходом

EgP

Eg

Полупроводниковые лазеры Основные характеристики полупроводниковых лазеров

Малая длина оптического резонатора → большие межмодовые расстояния → в область усиления полупроводникового лазера могут попасть сотни мод

При хорошей пространственной и спектральной однородности линии усиления генерация происходит преимущественно в одномодовом режиме

Расстояния между соседними модами для различных полупроводниковых лазеров определяется областью спектра, в которых они излучают, и лежат в диапазоне 0.5-3 см-1

Спектр излучения полупроводниковых лазеров охватывает диапазон до 5-10 нм

Длина волны излучения полупроводникового лазера сильно зависит от температуры кристалла – при изменении температуры меняется показатель преломления активной среды, и частоты мод меняются

Выходные мощности излучения в непрерывном режиме не превышают величин порядка 10 мВт: при больших мощностях высокие интенсивности лазерного пучка могут разрушить кристалл

1.А3В5 – GaAs ( =0.85 мкм), GaP ( =0.6 мкм), InAs ( =5 мкм)

2.А4В6 – PbSSe, PbSnTe, PbSTe лазеры излучают в диапазоне от 3.5 мкм до 40 м

3.А2В6 – CdS, ZnS,ZnSe, излучающие в коротковолновом спектральном диапазоне – в сине-зеленой и в ближней УФ областях спектра