L_24_2

реклама
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
Скачать