L_24_2
advertisement
Полупроводниковые лазеры зона проводимости Ec Eg При низкой температуре все состояния валентной зоны заняты электронами, а в зоне проводимости электронов нет Если перевести электроны внутрь зоны проводимости, что они очень быстро срелаксируют на самые нижние уровни запрещенная энергии этой зоны, а состояния вверху валентной зоны окажутся незанятыми зона Ev Между нижними состояниями зоны проводимости и верхними состояниями валентной зоны возникнет инверсная населенность валениная зона Такую схему накачки на практике реализовать сложно, потому что полупроводник необходимо поддерживать при близких к абсолютному нулю температурах 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 Ферми Ec Eg рекомбинация Ev Полупроводниковые лазеры Гомолазер на GaAs (вид с торца) GaAs n-типа металлические контакты 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 n-типа GaAs p-типа изолятор 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 GaAs p-типа металлический контакт изолятор GaAlAs p-типа GaAs активная область (0.1 – 0.3 мкм) GaAlAs n-типа GaAs n-типа теплоотвод 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 Полупроводниковые лазеры Типичный спектр излучения полупроводникового лазера В случае лазера на GaAs, излучающего на длине волны 0.85 мкм, с длиной кристалла 250 мкм величина межмодового расстояния составляет 0.39 нм Полупроводниковые лазеры P, мВт 10 T=300 K 5 T=400 K Величины пороговых токов сильно зависят от температуры кристалла и для комнатной температуры не превышают нескольких десятков мА В импульсном режиме мощность излучения лазера на GaAs может достигать сотни ватт 100 200 I, мА Группы полупроводниковых лазеров 1. А3В5 – GaAs (l=0.85 мкм), GaP (l=0.6 мкм), InAs (l=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
