3. Напівпровідникові лазери (лазерні діоди)

Для забезпечення процесу індукування випромінювання, що використовується в лазері, потрібен матеріал, який має спонтанне випромінювання, тобто придатний для виготовлення світловипромінювальних діодів. Для отримання лазерних коливань на основі такого матеріалу необхідно помістити його в резонатор Фабрі-Перо. Для цього створюється двошарова гетероструктура (рис.2.) в якій електрони запираються в активному шарі, а обидві його торцьові поверхні, що перпендикулярні осі світлового променя, створюються площинами спайкості або за допомогою хімічного травлення перетворюються в дзеркала, і тим самим формується резонатор Фабрі-Перо. Довжина резонатора як правило 300 мкм.

Таблиця 1. Параметри сучасних СВД

Структура	Довжина хвилі	Вихідна	Частота
	випромінювання	потужність	модуляції МГц
	мкм	нВт
AlGaAs / GaАs	0,55...0,67	50...30	50
AlGaAs / GaАs	0,8...0,9	20...200	50
GaInP / GaAs
InGaAsP / ІnР	1,1	20...200	50
Л AlGaAsSb / GaAs
GaInAs / GaInP
ІnGаАs / ІnР
	1,3	20...200	Г 50
ІnGaAsP / ІnР	1,55	20...400	не вико­-
A AlGaAsSb / GaSb			ристову-ється

З іншого боку, оскільки середня відстань розсіювання (глибина дифузії) інжектованих в активний шар електронів складає 1...2 мкм, то нема потреби в тому, щоб товщина активного шару була більшою. Крім того, щоб із поперечних мод могли генеруватись лише моди самого низького порядку товщину активного шару приймають рівною 0,1 мкм. Ширина активного шару робиться також невеликою, щоб в ньому запирались інжектовані електрони. Для генерації поперечних мод лише самого низького порядку потрібно, щоб ширина активного шару була приблизно 0,5 мкм. Але на практиці через технологічну складність виготовлення ширина активного шару складає не менше 2 мкм.

Таким чином, електрони запираються в резонаторі типу прямокутного хвилеводу. В двошаровій гетероструктурі, яка наведена на рис. 2, коефіцієнт заломлення активного шару більший за коефіцієнту заломлення двох інших шарів, що прилягають до нього. Створена структура відповідає структурі оптичного світловоду. При цьому, світло може поширюватись лише в активному шарі.

Рис. 1. Ват – амперна характеристика СВД

Таким чином, в резонаторі хвилеводного типу світло поширюється з частковим його утриманням і завдяки випромінюванню, що індукується, виникають лазерні коливання.

Коефіцієнт відбивання поверхонь спайкості визначається формулою:

(2)

де n – коефіцієнт заломлення активного шару.

Для GaAs коефіцієнт n=3,5, звідси . Добротність такого резонатора складає5.6·.

Рис. 2. Напівпровідниковий лазер

В міру зростання струму інжекції і по досягненні втратами порогового рівня починається генерація лазерних коливань. Величину порогового рівня втрат ( можна визначити за формулою

(3)

де - коефіцієнт поглинання матеріалу резонатора.

Для напівпровідникового лазера на GaAs при величина.

Необхідне для генерації значення інжекційного струму називається пороговим струмом І_пор. Відношення І_пор до площі поверхні активного шару називається пороговою щільністю струму і для GaAs лазерів складає 1..2 кА/см². На рис. 3 наведені ват-амперні характеристики напівпровідникових лазерів. Для одержання одномодового режиму роботи лазера використовують так звану техніку керування повздовжніми модами, яка дозволяє навіть в динамічних умовах роботи (наприклад, при щвидкісній модуляції) генерувати одномодову поздовжну хвилю.

Для цього бажано створити резонатор, який на відміну від резонатора Фабрі-Перо мав би малі втрати лише для певної поздовжної моди. Іншими словами, щоб тільки лише для однієї певної моди збільшувався коефіцієнт відбивання крайової поверхні резонатора і підвищувалась його добротність. Типовим прикладом такого підходу може бути створення поблизу хвилеводу дифракційної гратки (див.рис.4). Внаслідок такого підходу до проблеми отримання одномодового режиму були створені дві специфічні структури лазерів.

1. Структура з розподіленим зворотнім зв'язком (DFB - Distributed Feedback). Так звані лазери РЗЗ або DFB лазери.

Рис.3. Ват – амперна характеристика напівпровідникового лазера

На хвилеводі створюється дифракційна гратка. Довжина хвилі, для якої коефіцієнт буде максимальним, визначається за формулою

(4)

Тут

- довжина хвилі Брегга;

d – період дифракційної гратки;

m – ціле число, що показує ступінь дифракції.

Значення обумовлюється глибиною канавки дифракційної гратки, довжиною резонатора L z і т.д.

Оскільки згідно з (4) можуть існувати дві хвилі з максимальним коефіцієнтом відбивання, тобто до і після хвилі Брега, то існує загроза їх одночасної генерації. В сучасних лазерах зроблені спроби генерації моди лише з однієї сторони (до або після) шляхом зміщення періоду дифракційної гратки на одну чверть та руйнування тим самим симетрії гратки відносно цих хвиль.

2. Структура з розподіленим бреггівським відбиванням (DBR - Distributed Bragg Reflector). Шляхом формування дифракційної гратки з однієї або двох сторін активного шару лазерам надаються вибіркові властивості. Якщо для гратки використовувати той же матеріал, що і для активного шару, то може вийти декілька резонаторів, що призводить до збільшення втрат на поглинання. Тому формують гратку з матеріалу, шо відрізняється від матеріалу активного шару. Така структура називається структурою з розподіленим бреггівським відбиванням. При створенні дифракційної гратки потрібна велика, майже така, як і для створення активного шару, точність обробки. Для таких структур генерація однієї моди - звичайне явище.

Лазери такої структури не мають перестрибування моди навіть при високих швидкостях модуляції і генерують лише одну моду, що робить їх зручними в якості джерела випромінювання для великошвидкостних ВОСП, що використовують одномодові оптичні волокна.

Рис. 4. Структура лазера з керуванням продольними модами:

а – з розподіленим зворотнім зв’язком (DFB);

б – з розподіленим бреггівським відбиванням (DFB).