книги / Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров

ЗЛ109А

00,7 91,5

ш

Г Г №

ЗЛ№ к,Б

Ф 2 Л

ЗЛ123А,ЗА119А

ЗЛ118А

Окончание рис.1.4.

11

1.6. Изменение предельно допустимого тока при различных длитель­ ностях и скважности импульсов накачки диода ЗЛ107 А, В: 1 — t » = (~60...+35)*С; 2 - t~+ 85 *С

12

г

40

20

1

О 1 и .* злт л

Рис.1.8. Вольт-амперные характеристики светодиодов и усредненная зависимость дифференциального сопротивления от тока накачки

Рис.1.9. Частотные характеристики светодиодов: 1 - с шунтирующим ре* зистором Яш = 20 Ом; 2 - Яш=00

Рис.1.10. Зависимость времени нарастания (I) и среза (2) импульса излучения светодиода 3JI123A от амплитуды прямого импульсного тока

Быстродействие светодиодов определяется частотной, импульсной или переходной характеристиками (рис.1.9,1.10). При анализе временных параметров светодиода можно использовать эквивалентную схему замещения (рис.1.11),

15

времени включения t^ определяемого переходной характеристикой, и времени выключения На время выключения основное влияние оказывает постоянная разряда С3# э. Для уменьшения влияния диффузионной емкости и сокращения параллельно диоду устанавливают шунтирующее сопротивление Д ш= 10-20 Ом. Дальнейшее снижение Яш нецелесообразно, так как это связано с дополнитель­ ным увеличением тока накачки и соответственно с увеличением габаритно­ весовых характеристик генератора накачки светодиода.

Скорость включения светодиода зависит от времени накопления тн избы­ точных носителей в базе (p-слое), а выключения временем рассасывания ip заряда емкости Сэ, т.е. нарастание светового импульса происходит по закону

P(t) =Р ^ (1 - е-'А*), а срез соответственно P(t) = Р ^е ^А р .

Генерация в активной области спонтанная и характеризуется тем, что лучи направлены равновероятно во все стороны. Поэтому диаграмма излучения светодиода без иммерсионной Линзы близка к диаграмме изотропного излучателя (от 0до 180°).

Размеры тела свечения для различных светодиодов различны и равны 1-5 мм, поэтому вопрос формирования заданных диаграмм направленности сопряжения излучаемой энергии с оптической линией связи требует отдельного рассмотрения.

Средняя спектральная линия излучения определяется разностью двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов при люминесценции. В связи с разной шириной запрещенной зоны у различных материалов длина волны излучения тоже разная. Так, светодиоды на основе GaP имеют максимум при Х = 0,73 мкм, на основе SiC -при X =0,53 мкм, GaAsPN - при X = 0,58 мкм, GaAsP - при X= 0,72 мкм, GaAs - при X = 0,9 мкм и т.д. В насто­ ящее время спектр излучения светодиодов перекрывает весь видимый и ближний ИК-диапазоны волн.

Так как люминесценция происходит по всей глубине базы светодиода, то энергетические уровни, между котЬрыми происходит переход электронов, размыт. Соответственно спектр излучения оказывается относительно широким, и для большинства светодиодов его полуширина составляет 0,03-0,05 мкм.

Питание (накачка)светодиодов производится постоянным или периодически изменяющимся током (в форме импульсов, меандра, гармонического колебания и т.д.).

Рис.1.12. Экспериментальная зависимость граничной частоты модуляции и мощности излучения диода ЗЛ148А от длительности импульсов накачки (Гни® 150мА): 1 - Дш =24 Ом; 2 -Д ш=~

16

г Генерационные характеристики светодиодов зависят от режима работы и формы тока накачки. Например, повышение частоты модуляции диода ЗЛ148А приводит к существенному уменьшению излучаемой мощности. Но чем меньше длительность импульсов накачки, тем выше граничная частота их повторения,

на которой излучаемая мощность снижается в ^2 раз (рис.1.12,а). При очень коротких импульсах инерционность светодиода влияет сильнее, чем разогрев средним током, соответственно мощность излучения резко уменьшается (рис.1.12,б). Стабильность амплитуды оптических импульсов в диапазоне дли­ тельностей и частоты повторения можно улучшить за счет включения параллельно светодиоду шунтирующего резистора Яш.

1Z ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ

Полупроводниковые лазеры находят широкое и постоянно возрастающее применение в ряде народнохозяйственных и специальных областях - лазерных локаторах, устройствах автоматического управления, системах ночного видения и целеуказания и др. [2,3]. '

Активным элементом в полупроводниковых лазерах является кристалл полупроводника с возбуждением инжекцией носителей в область р-n перехода (инжекционные лазеры), пучком элеипгронов высокой энергии (полупроводниковые лазеры с электронным возбуждением) либо электрическим разрядом (стримерные лазеры) [8].

Инжекционные лазеры обладают целым рядом достоинств ро сравнению с другими типами лазеров: прямым преобразованием электрической энергии в когерентное излучение; высоким полным КПД; малыми габаритами активного элемента; возможностью работы при высоких частотах повторения импульсов; большим выбором полупроводниковых материалов, позволяющих получать

фирмы электронной промышленности. Объем реализации инжекционных лазеров в капиталистических странах в. 1*983 г. по сравнению с 1981 г. вырос с 10 млн» долларов до 54 млн., то есть более чем в 5 раз [23-25].

Коротко остановимся на физических процессах, происходящих в инжек­ ционных лазерах. Для этого воспользуемся моделью, описанной в [8,9]. Условия формирования потенциального барьера при соединении полупроводников р -и ьтипа такие же, как и для светодйодов (рис.1.13^6). В случае приложения спряжения, компенсирующего потенциальный барьер, в области р-n перехода участок К) происходит рекомбинация электронов и дырок с излучением квантов •вета с энергией, близкой к ширине запрещенной зоны. В области, где имеется нверсная заселенность (область р-л перехода), излучение квантов преобладает ад их поглощением, поэтому область инверсии является для электромагнитной олны областью с отрицательным сопротивлением, наличие которого, как звестно, является условием усиления электромагнитных колебаний. Рекоминация неравновесных носителей приводит к обеднению соответствующих зон. роцесс этот протекает весьма быстро - за время порядка 10-4- 10““ с. Поэтому пя поддержания инверсной заселенности необходимо непрерывно компенсиэвать убывание неравновесных носителей путем введения (инжекции) элект- )нов в побласть полупроводника Этот процесс можно также рассматривать ж инжекцию дырок в p-область. Такое перемещение носителей осуществляется

Рис.1.13. Энергетические зоньп а, б - р-п перехода без приложения и при при­ ложении напряжения соответственно; в, г - для гетероструктуры с односто­ ронним и двухсторонним ограничением

за счет внешнего источника, называемого генератором накачки. Длительность

токового импульса накачки определлет длительность свечения р-л перехода. Для создания режима генерации, помимо получения отрицательного сопро­

тивления, необходимо ввести положительную обратную связь. Эта связь в оптическом квантовом генераторе достигается размещением активной среды внутри резонатора, простейшим типом которого является резонатор с плоско­ параллельными зеркалами (типа Фабри-Перо). Отражаясь от зеркал, кванты излучения многократно проходят через усиливающую среду. Если до того, как квант успеет выйти за пределы резонатора или будет поглощен, он успеет инду­ цировать излучение более одного кванта той же частоты, то рассматриваемая система будет работать как лазер.

Обычно в полупроводниковом ОКГ резонатором служит сам образец, так как полупроводниковые кристаллы имеют большую диэлектрическую постоянную и нормированная граница раздела воздух-диэлектрик способна отражать около 30 % излучения.

Уровень накачки, при котором'происходит резкое сужение спектра излучения, и оно становится монохроматическим, называется пороговым уровнем генерации.

Среди полупроводниковых веществ, используемых для создания ПКГ, наибольшее распространение получил арсенид галлия, отличающийся от других полупроводниковых материалов лучшей технологичностью и более высокими

генерационными характеристиками.

Рассмотренные гомопереходные полупроводниковые соединения имеют низкий КПД, так как значительная , часть электронов за счет высокой скорости проскакивает активную область II (рис.1.13,а,б).

Использование структуры р-n и р-р переходов, отличающихся друг от друга шириной запрещенной зоны (рис. 1.13,в), позволяет поднять КПД лазеров. Элект­ роны, прошедшие через активную область и не прореагировавшие с дырками, не а состоянии из-за наличия потенциального барьера ДЕ перейти в зону проводимости широкозонного полупроводника Поэтому электроны будут отражаться от этого) барьера и вновь поступать в активную область [8]. .

В полупроводниковых лазерах с двойной гетероструктурой (рис. 1.13^1 активная область заключена между широкозонными полупроводниками, чт<! значительно усиливает волноводный эффект, т.е. способствует уменьшен^ величины потерь.

18

Вопросы, связанные с динамикой процессов, происходящих в полупровод^ никовых ОКГ, подробно изложены в [1,9]. Проанализируем параметры конкретных типов инжекционных лазеров и тенденции их развития с точки зрения разработки оптических передатчиков с малогабаритными генераторами накачки.

Мощность импульсных ПКГ возрастает как за счет совершенствования единичных лазерных диодов, так и в результате создания излучающих решеток. Соответственно растут требования к импульсной мощности генераторов накачки, которая может составлять десятки киловатт.

Выпускаемые в настоящее время мощные импульсные неохлаждаемые полупроводниковые излучатели (табл. 12, 1.3) имеют следующие параметры: мощность импульса лазерного излучения до 1150 Вт, частота повторения им­ пульсов до 10 кГц; длительность импульсов тока накачки 80-200 нс; амплитуда импульсов тока накачки до 100 А; время нарастания токовых импульсов не более 5 -10 нс; стоимость до 11285 долларов.

Таблица 1.3

Основные параметры серийных зарубежных мощных импульсных излучателей

^Прим ечание: * - ток накачки зависит от способа соединения решеток в излучателе

Из конструктивных особенностей современных лазеров можно отметить следующие:

применение световодов с прямоугольным поперечным сечением и кол­ лекторов на их основе для вывода излучения от решеток лазерных диодрв; использование параллелепипедов и фоклинов с формой усеченных пирамид для обеспечения высокой однородности излучаемого потока; широкое применение пластмасс качестве конструкционного материала линз, интеграторов, фоклинов и других оптических элементов;

термостатирование лазерных решеток с помощью термоэлектрических микрохолодильников; применение тепловых трубок для эффективного отвода тепла от диодов лазера;

20