Устройство и характеристики инжекционных лазеров.

 

На рис. 1.5 показано схематическое устройство инжекционного лазера. Полупроводниковый кристалл с р — n -переходом, имеющий форму прямоугольной призмы, помещается между двумя массивными металлическими контактными пластинами, которые служат для подвода возбуждающего тока и одновременно обеспечивают отвод от него тепла. Две боковые противоположные грани кристалла, перпендикулярные плоскости перехода, выполняют параллельными и полируют с оптической точностью. Они представляют собой отражающие поверхности резонатора. Чаще всего отражающие поверхности получают путем скола кристалла вдоль кристаллографической плоскости, что обеспечивает идеально ровные и одновременно параллельные поверхности. Вследствие высокого показателя преломления большинства полупроводников, используемых в лазерах (например, у GaAs n = 3,6), поверхность полупроводник — воздух имеет довольно значительный коэффициент отражения, который оказывается достаточным для выполнения условия возбуждения. Часто на одну из граней напыляется полностью отражающее покрытие для того, чтобы излучение происходило в одном направлении. Две другие грани кристалла делают шероховатыми или скашивают их под небольшим углом, чтобы воспрепятствовать возникновению колебаний в нерабочих направлениях.

Рис. 1.5 Устройство полупроводникового инжекционного лазера

 

Излучающий кристалл имеет следующие габариты: расстояние между полированными поверхностями (длина резонатора) обычно составляет 0,2–0,5 мм, поперечные размеры того же порядка.

Как отмечалось выше, инверсная населенность электронов локализована в пределах области t~ 1 мкм от центра p-n перехода. С другой стороны, электромагнитная волна также пространственно ограничена, но на большем расстоянии d (рис. 1.6). Поперечное ограничение моды вызвано тем, что с увеличением расстояния от центра p-n коэффициент преломления уменьшается. Такое изменение коэффициента преломления вызывает волноводный эффект. При этом возбуждаются т.н. диэлектрические волноводные моды, интенсивность которых в поперечной плоскости быстро спадает с расстоянием от границы волновода.

 

 

Рис. 1.6 Схематическая диаграмма, показывающая

активный слой и поперечное распределение

интенсивности (по x) основной моды лазерного колебания

 

Согласно рис. 1.6 только часть энергии моды распространяется в пределах активной области, где она усиливается. Большая часть энергии распространяется через p и n области, где происходит затухание, определяемое в основном присутствием свободных носителей, которые ускоряются оптическим полем и рассеивают энергию при столкновениях. Потери, определяемые этим процессом настолько велики, что не позволяют осуществить непрерывный режим работы при комнатной температуре. Необходимость глубокого охлаждения инжекционных лазеров существенно усложняло их конструкцию и ограничивало область применения.

 

Лазеры на гетеропереходах

 

Выход из создавшегося положения был найден в использовании гетеропереходов, позволивших снизить плотность порогового тока более чем на порядок и получить непрерывный режим генерации полупроводникового инжекционного лазера при комнатной температуре. Гетеропереходы образуются на стыке полупроводников с разной шириной запрещенной зоны. Оптимальной для лазера является двойная гетероструктура, представляющая собой трехслойную полупроводниковую систему, имеющую два гетероперехода.

Наиболее подходящими для создания гетеропереходов оказались два полупроводника: арсенид галлия GaAs и твердый раствор (Ga + Al)As, обладающие практически одинаковыми кристаллическими решетками, но разными величинами запрещенных зон.

На основе этой пары были созданы инжекционные лазеры на арсениде галлия с двухсторонней гетероструктурой типа n (Аl, Ga)As— p GaAs— p (Al,Ga)As. Двойная гетероструктура этих лазеров состоит из тонкого слоя (толщиной около микрона) арсенида галлия р -типа, заключенного между р - и n -областями раствора Al _x Ga_{1 – x} As, имеющего более широкую запрещенную зону.

 

Рис.1.7 Энергетические диаграммы двойной гетеростуктуры

 

На рис. 1.7 приведена упрощенная энергетическая зонная диаграмма двойной гетероструктуры в отсутствие напряжения (рис. 1.7, а) и с внешним напряжением (рис. 1.7, б), приложенным в прямом направлении. Приложенное к гетеропереходу напряжение приводит к инжекции электронов из широкозонного n -полупроводника (Al, Ga)As) в область p GaAs, где образуется инверсия населенностей.

Особенностью рассматриваемой гетероструктуры является возможность осуществления режима суперинжекции. Для этого режима характерно то, что плотность инжектируемых в узкозонный активный материал p GaAs электронов превышает их равновесную концентрацию в широкозонном эмиттере (кристалле p (Аl, Ga)As). Суперинжекция создается при напряжениях, близких и больших контактной разности потенциалов пары полупроводников
p GaAs— n (Аl, Ga)As, когда потенциальный барьер для электронов исчезает.

Увеличению инверсии в активном слое p GaAs двойной гетероструктуры способствует также так называемое электронное ограничение. Оно состоит в том, что инжектируемые в p GaAs электроны не могут диффундировать в соседнюю широкозонную область p (Аl, Ga)As полупроводника, и их плотность в активной области возрастает. Диффузии электронов в область р (Аl, Ga)As препятствует, как видно из рис. 1.7, потенциальный барьер, существующий на ее границе.

Важную роль в уменьшении пороговой плотности тока гетеролазеров играют оптические свойства гетероструктур. Для них поперечный размер волноводной моды d существенно меньше, чем для гомоперехода. Это связано с сильной зависимостью показателя преломления Ga_1-xAl_xAs от x: Δ n=-0,4x, где Δn- изменение показателя преломления относительно GaAs. В результате размеры активной области t и ширина волновода d практически совпадают с толщиной центрального слоя p GaAs.

В широкозонных областях (Al, Ga)As, соседних с активным слоем p GaAs, отсутствует межзонное поглощение, поскольку энергия квантов генерируемого излучения меньше ширины их запрещенной зоны.

Совокупность отмеченных особенностей гетеропереходов дает возможность существенно увеличить коэффициент усиления и уменьшить уровень вредных потерь. В результате этого созданы простые и надежные приборы, позволяющие получить непрерывную генерацию при комнатной температуре с рекордными значениями коэффициента полезного действия с выходной мощностью, составляющей единицы ватт. Лучшие инжекционные гетеролазеры на GaAs имеют плотность порогового тока ~(1 – 3)10³ А/см² при комнатной температуре, что почти на два порядка меньше, чем в лучших инжекционных гомолазерах на GaAs.

 

Дальнейшее развитие исследований привело к разработке многослойных гетероструктур. Цель, преследуемая этим усложнением состоит в контролируемом расширении потока генерируемого излучения с тем, чтобы избежать лучевого разрушения торцов лазера при реализации возбуждении низшего волноводного типа колебаний.

 

Из-за малых размеров мкм излучающей поверхности расходимость излучения полупроводниковых лазеров значительно больше, чем у других видов лазеров. Как известно, для гауссового пучка угол расходимости, определяемый дифракцией, равен

= λ/ d, где λ – длина волны, d- размер ограничивающей апертуры.

Типичная ширина диаграммы направленности в плоскости, перпендикулярной переходу, составляет около 10°, а в плоскости перехода — несколько градусов

 

В настоящее время созданы инжекционные гетеролазеры, работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре на всех смешанных кристаллах указанных в табл. 1.1 и многих других в качестве активной среды. Их излучение перекрывает диапазон длин волн от ближней инфракрасной до коротковолновой области видимого света ( нм). Так на гетероструктуре с активной областью из смешанного кристалла Cd _x Zn _{x –1}Se заключенной между слоями ZnSe p и n типа создан инжекционный лазер генерирующий излучение (при подборе состава x) на длинах волн нм. Еще более коротковолновое излучение с длинами волн 376420 нм удалось получить от лазера на гетероструктуре AlGaN/Jn _x Ga_{1 – x} /GaN работающей при комнатной температуре. Λ

 

Полупроводник	Длина волны, мкм	Полупроводник	Длина волны, мкм
Арсенид галлия GaAs Фосфид индия InP Антимонид галлия GaSb Арсенид индия InAs Сульфид свинца PbS Антимонид индия InSb Теллурид свинца РbТе Селенид свинца PbSe	0,85 0,9 1,6 3,2 4,2 5,3 6,5 8,5	Арсенид-фосфид галлия Ga(As + Р) Арсенид-фосфид индия In(As + Р) Смешанный кристалл (Ga + In)As Смешанный кристалл (Ga + Al)As	0,65–0,9   0,90–3,2   0,85–3,2   0,73–0,85

 

Расширение диапазона рабочих волн и улучшение параметров инжекционных гетеролазеров стало возможным благодаря использованию сверхтонких активных слоев в гетероструктурах. При толщине t активного слоя гетероструктуры меньшей длины свободного пробега электронов физические характеристики материала полупроводника существенно меняются. Электроны в таком тонком активном слое, представляющем квантово-размерную структуру, ведут себя как в квантовой яме. Энергетический спектр электронов и дырок в сверхтонкой активной области становится зависимым от толщины слоя, а также меняется плотность электронных состояний. Как показывают теоретический анализ и экспериментальные исследования изменение энергетического спектра и плотности состояний благоприятно влияют на условия создания инверсной населенности. Инжекционные гетеролазеры со сверхмалой толщиной активной области (~ 10 нм), т. е. лазеры с квантово-размерной активной областью, принято называть лазерами с квантовыми ямами. Пороговая плотность тока лазеров с квантовыми ямами при комнатной температуре составляет величину А/см, что более чем на три порядка меньше порогового тока гомолазеров.

 

Указанные выше лазеры, излучающие в коротковолновой (фиолетовой и зеленой) области света, представляют пример лазеров с квантовыми ямами, в которых в качестве квантовых ям использовались квантово-размерные области из смешанных кристаллов Cd _x Zn _{x –1}Se и Jn _x Ga_{1 – x} N.

Инжекционные лазеры на гетероструктурах обладают уникальными энергетическими характеристиками. Мощность излучения одного лазерного диода в непрерывном режиме может составлять () Вт. Диодные линейки, изготовленные на основе гетерструктур, позволяют генерировать непрерывное излучение в несколько сот ватт.

Гетеролазеры имеют рекордный коэффициент полезного действия из всего богатого набора существующих лазеров. В лабораторных образцах КПД гетеролазеров достигает %. КПД промышленных лазерных диодных линеек составляет %, гетеролазеров со стыкованным световолокнами %. Срок службы гетеролазеров достигает 10 000 ч.

Обладая уникальными весогабаритными, энергетическими и эксплуатационными характеристиками инжекционные гетеролазеры являются самыми востребованными для различных применений.

Так гетеролазеры на структурах AlGaAs/GaAs широко используются в бытовой технике (компакт дисковые системы записи и считывания информации — CD и DVD и минидисковые проигрыватели, CD-драйверы в компьютерах, компьютерные системы памяти, лазерные принтеры и т. д.). Лазеры на гетероструктурах JnGaAsP/JnP являются основными источниками в волокно-оптических линиях связи, обеспечивающих работу Интернет-систем, кабельного телевидения, дальней телефонной широкополосной кабельной связи и т. д. Лазеры на JnGaAsP/JnP структурах работают на длинах волн 1,3 мк и 1,55 мк соответствующих минимальным затуханиям в световолокнах на двуокиси кремния.

Гетеролазеры используют для эффективной оптической накачки твердотельных и волоконных лазеров. Для этих целей разработаны гетеролазеры (диодные линейки и матрицы), длина волны излучения которых совпадает с линиями поглощения активных частиц (ионов) указанных лазеров.

Широко используются гетеролазеры в робототехнике для измерительных целей (дальномеры, доплеровские измерители скоростей и т.д.), лазерной медицине (хирургия, обезболивание, заживление ран и т.д.), лазерной технологии (маркировка, микросварка, резка и т.п.).