книги / Оптическое материаловедение. Лазерные и регистрирующие среды
.pdf
Для направленности излучения лазерного диода существенны два размера: 
В плоскости р–п-перехода – ширина диода.
В вертикальной плоскости (перпендикулярной р–п-переходу) – толщина активной области.
В современных лазерных диодах в плоскости р–п-перехода угол расхождения составляет ~1°, а в вертикальной плоскости – около 10°.
6.1.3. Эксплуатационные характеристики
Эти характеристики определяют эффективность диода (пороговый ток, мощность излучения, квантовый выход, КПД, надежность).
Характеристики полупроводникового лазера зависят от качества исходных материалов, р–п–перехода и контакта металл–полупроводник, от структуры и геометрии активного элемента диода, от характера и концентрации примесей, от условий работы (температуры, механических напряжений).
|
|
|
|
|
|
|
|
Пороговый ток |
|
|
|
Плотность порогового тока jl – основная характеристика |
|
|
|
|
|
|
полупроводникового лазера, определяющая уровень и эф- |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
фективность накачки. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Порог генерации излучения зависит от геометрических размеров активного слоя, уровня легирования и температуры.
Плотность порогового тока обратно пропорционально зависит от длины резонатора.
Плотность порогового тока возрастает с повышением уровня легирования. 
Минимальная плотность порогового тока с учетом квантовой эффективности для материала п-типа достигается при концентрации 2·1018 см–3.
Оптимальная концентрация для получения максимальной мощ-
ности излучения составляет
4·1018 см–3.
61
Плотность порогового тока зависит от строения р–п-переходов. 
Для гомоструктурных р–п-пе-
реходов (n-GaAs-p-GaAs) плот-
ность порогового тока составляет ~ 100 кА/см2.
Использование гетероструктурных р–п-пере-
ходов (n-Ga1-xAlxAs-GaAs-p-Ga1-xAlxAs) позво-
ляет снизить плотность порогового тока до
~ 1 кА/см2.
|
|
|
|
|
Квантовый выход является основной количественной |
|
|
|
|
|
|
|
Квантовый выход |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
характеристикой, определяющей КПД лазерного диода. |
Внутренний квантовый выход:
η0 – отношение числа фотонов, излученных в единицу времени в активном слое р–п-перехода, к числу актов рекомбинации.
В идеальном случае η0 = 1, то есть каждый акт рекомбинации рождает фотон.
Внешний квантовый выход: ηВ характери-
зует отношение числа фотонов, выходящих из диода в единицу времени, к числу актов рекомбинации и учитывает качество р–п-перехода и наличие резонатора.
|
|
nf |
|
P |
|
e |
|
e P |
|||
ηB |
= |
|
= |
изл |
|
|
= |
|
|
изл |
λ |
nr |
hν |
|
I |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
hc I |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
КПД лазерного диода пропорционален падению напряжения |
|
U |
|
|
|
|
Ux непосредственно на р–п-переходе и с учетом hν = qeUx |
|
x |
|||
|
|
КПД = ηB |
|
|
||
|
определится выражением: |
|
U |
|||
|
|
|
|
|
|
|
Обычно у лазерных диодов U > Uх и поэтому КПД < ηВ. 
Внешний квантовый выход всегда меньше внутреннего, так как часть излучения поглощается в самом кристалле (реабсорбция излучения).
Реабсорбция особенно ощутима для спонтанного излучения, поскольку оно испускается изотропно и попадает в сильно легированные области кристалла.
По этой причине средний коэффициент пропускания для спонтанного излучения в диодах без специальных покрытий составляет всего ~ 0,1.
С увеличением тока квантовый выход спонтанного излучения быстро возрастает. 
62
При переходе в режим генерации внешний квантовый выход резко возрастает, так как вынужденное излучение выходит только в нескольких модах резонатора, распространяется только в активной области диода и направлено перпендикулярно зеркалам резонатора.
Внешний квантовый выход может быть определен выражением:
ηB = |
|
|
η0 |
|
|
|||
αL |
|
− 1 |
+ |
αL |
||||
|
|
exp{αL} |
τn |
|||||
|
|
n1 |
− n2 |
2 |
|
|||
τn |
= 1− |
|
|
|
|
|
|
|
|
+ n2 |
|
||||||
|
|
n1 |
|
|
||||
– коэффициент пропускания, L – длина резонатора.
С повышением температуры квантовый выход уменьшается (при 300 К он в пять раз меньше, чем при 77 К) как за счет понижения внутреннего квантового выхода, так и за счет повышения потерь на поглощение.
Полный КПД лазерного диода определяется значением порогового тока
|
Р |
Iпор |
|
КПД = |
изл |
= ηв − (ηв − ηсп ) |
|
|
I |
||
|
IU |
||
63
Это приводит к резкому уменьшению потерь на реабсорбцию, увеличению пропускания, а основными потерями становятся дифракционные потери и потери на поглощение на свободных носителях.
6.1.4. Тепловые условия работы лазерного диода
Лазерные диоды могут работать в импульсном, непрерывном и квазинепрерывном режимах.
Эффективная работа в этих режимах ограничивается главным образом эффективностью теплоотвода от активной области диода.
При пропускании тока через диод возникает разогрев и температура через какое-то время достигает равновесного значения (I1 или I2), определяя значение порогового тока.
Возможный режим работы диода будет определяться значением рабочего тока I.
Если пороговый ток возрастает во времени по кривой 1, то всегда I > I1 и, следовательно, возможен как непрерывный, так и импульсный режим работ лазерного диода.
|
|
|
|
|
|
Если же рост порогового тока идет по кривой |
|
1 |
– непрерывный режим, |
|
2, то диод может работать только в импульс- |
|
||
|
|
2 |
– импульсный режим. |
|
|
ном режиме. |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6.1.5. Материалы для лазерных диодов
Лазерные диоды на основе чистого арсенида галлия излучают на границе видимой и ближней инфракрасной областей спектра, а длина волны излучения зависит от рабочей температуры диода (при 25 °С составляет 900 нм, при 77 К – 855 нм).
Использование гетероструктур типов
GaAs – GaхAl1-хAs и GaAs – GaР1-хAsx с
большей шириной запрещенной зоны позволяет получить излучение с более короткой длиной волны.
При х = 0,5 зонная структура арсенида галлия заменяется зонной структурой арсенида алюминия, что приводит к существенному уменьшению длины волны.
64
Характер излучательных переходов в этом случае меняется от прямого к непрямому, а потому при содержании алюминия или фосфора более 0,5 лазерный эффект не возникает.
Минимальные длины волн излучений при комнатной температуре равны
675 нм для GaAsxP1-х и 730 нм для GaxAl1-хAs.
В интервале длин волн вблизи 0,9 мкм в качестве источников излучения используются гетеролазеры на основе
GaAs – AlxGa1-xAs.
Вблизи длины волны 1,55 мкм в качестве источников излучения хорошо подходят лазеры на основе GaxIn1-xAsyP1-yInP.
Кроме арсенида галлия и тройных соединений на его основе в качестве материалов инжекционных лазеров применяют соединения АIIIВV и AIIBVI.
|
Ширина |
Длина волны |
Пороговая |
Коэффициент |
|
Материал |
запрещенной |
излучения, |
плотность |
||
преломления |
|||||
|
зоны, эВ |
мкм |
тока, А/см2 |
||
InP |
1,29 |
0,97 |
3·103 |
3,26 |
|
InAs |
0,36 |
3,15 |
103 |
3,42 |
|
InSb |
0,16 |
5,3 |
104 |
3,96 |
|
InTe |
2,2 |
0,522 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
GaSb |
0,67 |
1,6 |
103 |
3,74 |
|
PbTe |
0,29 |
6,5 |
103 |
5,75 |
|
PbSe |
0,32 |
8,5 |
500 |
4,1 |
|
|
|
|
|
|
|
ZnS |
3,6 |
0,33 |
|
2,36 |
|
|
|
|
|
|
|
CdS |
2,4 |
0,496 |
|
2,25 |
|
|
|
|
|
|
|
CdTe |
1,45 |
0,79 |
|
2,7 |
|
|
|
|
|
|
Длина волны излучения полупроводника связана с шириной запрещенной зоны и может быть изменена лишь в небольших пределах путем изменения концентрации примесей, приложения магнитного поля или давления.
65
6.2. Конструкция инжекционных лазерных диодов
Инжекционный лазерный диод на р–п-переходе представляет собой обычный кристаллический диод, выполненный в форме резонатора размером 0,1×0,1×0,5 мм и меньше.
Плоскость р–п-перехода параллельна длинным матовым граням, а сколотые малые грани, перпендикулярные плоскости перехода, выполняют роль резонатора.
Толщина активной области составляет 2…3 мкм, р-области – 5…8 мкм, п-области –
30…60 мкм.
Материал корпуса диода должен обладать высокой теплопроводностью, чтобы обеспечить эффективный теплоотвод от активной области кристалла, и поэтому корпус изготавливают из меди с достаточно большой поверхностью корпуса.
Например, при площади р–п-перехода всего 10–3 см2
поверхность корпуса лазерного диода составляет примерно 650 см2.
66
6.2.1. Современные инжекционные лазеры
|
Лазеры на двойной гетероструктуре |
В настоящее время используется |
Диоды с квантовыми ямами |
Гетероструктурные лазеры с раздельным |
|
несколько типов инжекционных |
удержанием |
лазеров: |
Лазеры с распределенной обратной связью |
|
Поверхностно-излучающие лазеры с вертикаль- |
|
ным резонатором |
Современные инжекционные лазеры получили применение в оптической связи, особенно в волоконно-оптических системах, где существенны быстродействие, малые размеры, экономичность, долговечность.
Инжекционные лазеры также применяются в лазерных системах памяти (видеодиски), спектроскопииидр.
6.2.2. Лазеры на двойной гетероструктуре
Использовать гетероструктуры для полупроводниковых лазеров предложил Ж.И. Алферов в 1963 году.
В таких лазерах слой материала с более узкой запрещенной зоной располагается между двумя слоями материала с более широкой запрещенной зоной.
Активный слой (GaAs) заключен между двумя полупроводниковыми гетеро-пере- ходами, один из которых (типа р– n) служит для инжекции электронов, а второй (типа р– р) отражает инжектированные электроны, препятствуя их диффузионному растеканию из активного слоя(электронноеограничение).
Чаще всего для реализации лазера на основе двойной гетероструктуры используют арсенид галлия GaAs и арсенид алюминия-галлия AlGaAs.
67
При одинаковом токе накачки в активном слое гетероструктуры достигается значительно большая концентрация электронно-дырочных пар и, следовательно, большее оптическое усиление, чем в полупроводниковом лазере на р–n-переходах.
За счет более высокого показателя преломления активной области по сравнению с соседними областями свет будет отражаться от самих гетеропереходов, то есть излучение будет целиком заключено в области максимально эффективного усиления.
Кроме того, образованный активным слоем диэлектрический волновод удерживает излучение, распространяющееся вдоль структуры, в пределах активного слоя (оптическое ограничение), благодарячемуоптическоеусилениеиспользуетсянаиболееэффективно.
Лазерные диоды на основе гетероструктур обладают в 3–4 раза более высокими квантовым выходом, чем арсенид-галлиевые.
При использовании гетероструктур помимо уменьшения длины волны излучения достигаются существенное снижение плотности порогового тока и повышение КПД лазера.
Для лазера на гетеропереходе необходимая плотность тока при Т = 300 К более чем в 10 раз ниже, чем у лазера на р–n-переходе, что позволяет осуществить непрерывный режим генерации при температуре до 350 К.
6.2.3. Лазерные диоды с квантовыми ямами
Если толщина слоя среднего узкозонного полупроводника будет сравнима с длиной волны де Бройля носителей заряда, то возникнет квантование спектра носителей заряда, и такой слой уже будет являться квантовойямой.
Разница между энергетическими уровнями в квантовой яме может использоваться для генерации излучения.
Таким способом можно эффективно управлять длиной волны излучения, которая будет зависеть от толщины среднего слоя.
68
6.2.4. Гетероструктурные лазеры с раздельным удержанием
|
Основным недостатком гетероструктурных лазеров с тонким |
|
|
p-GaAs |
||||
|
слоем является сложность эффективного удержания генерируе- |
|
|
p-Ga1-xAlxAs |
||||
|
мого пучка. |
|
|
|
|
|
p+-Ga1-xAlxAs |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n-Ga1-xAlxAs |
|
Если с двух сторон кристалла добавить ещё |
|
|
|
|
|
|
n-GaAs |
|
два слоя с меньшим коэффициентом пре- |
|
|
|
|
|
|
|
|
ломления по сравнению с центральными |
|
|
|
Большинство полупроводниковых |
|||
|
слоями, то такая структура, напоминающая |
|
|
|
лазеров, производимых в настоя- |
|||
|
световод, будет более эффективно удержи- |
|
|
|
щее время, изготовлено по этой |
|||
|
вать свет. |
|
|
|
технологии. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Однако у лазеров с двойной гетероструктурой большая угловая расходимость луча (20…40°) в плоскости, перпендикулярной к плоскости перехода, из-за дифракции света в тонком активном слое, в то время как у гомоструктурных лазеров и лазеров с одинарной гетероструктурой угловая расходимость составляет 15…20°.
Инжекционный лазер с полосковым контактом
Обозначения: 1 – металлический контакт; 2 – изолирующая прослойка (оксид);
3 – приконтактный сильно легированный слой (р+ – GaAs); 4 |
– широкозонный |
||||||
эмиттерный |
слой |
р-полупроводника |
(p – AlхGa1-хAs); |
5 |
– |
активная |
область |
(узкозонный слаболегированный полупроводник р – GaAs); 6 |
– широкозонный |
||||||
эмиттерный |
слой |
п-полупроводника |
(п – AlхGa1-хAs); 7 |
– |
подложка (n – GaAs); |
||
8 – границы области, в пределах |
которой протекает |
ток |
накачки |
лазера; |
|||
9 – излучающая область лазерного диода; 10 – направление лазерного излучения.
69
6.2.5. Лазеры с распределенной обратной связью
Лазер с распределенной обратной связью, сокращенно DFB-лазер (от англ. distributed feedback laser) – лазер, резонатор которого состоит из активной среды, включающей в себя периодическую структуру, вследствие чего в ней возникает брэгговское отражение.
Периодическая структура представляет собой распределенный отражатель в виде двух брэгговских решеток с оптическим усилением в диапазоне длин волн лазерной генерации и обычно выполняется с равномерным фазовым сдвигом.
Брэгговская решетка создает обратную связь в обоих направлениях распространения лазерного излучения.
Селективные свойства брэгговской решетки обеспечивают одномодовый режим генерации с возможностью перестройки длины волны в пределах нескольких нанометров.
Оптический период брэгговской решетки определяет высокую температурную стабильность частоты генерации DFB-лазеров.
|
|
|
|
|
|
|
Температурная зависимость длины волны излучения |
|
|
|
Это позволяет за счет |
|
DFB-лазера определяется температурной зависи- |
|
|
|
изменения температуры |
|
мостью показателя преломления активного слоя и |
|
|
|
лазера перестраивать |
|
составляет ~ 0,1 нм/град. |
|
|
|
частоту излучения. |
|
|
|
|
|
|
Полупроводниковые DFB-лазеры способны излучать в различных спектральных диапазонах, от 0,8 мкм до 2,8 мкм при выходной мощности в десятки милливатт при ширине линии модуляции в несколько сотен мегагерц.
70