Инжекционные лазеры

заряда через нелинейный электрический контакт (p – n- переход, гетеропереход) в качестве механизма накачки.

В инжекционных лазерах электрическая энергия непосредственно преобразуется в энергию лазерного излучения с относительно высоким КПД (до 30 – 40% при 300 К). преимущества инжекционного лазера перед полупроводниковыми лазерами других типов – малая инертность, компактность, низковольтное питание, широкий набор длин волн λ, возможность спектральной перестройки, частотной модуляции или частотной стабилизации.

проводимости вблизи её дна Ec заполнена электронами в большей степени, чем валентная зона вблизи её потолка Eu Преобладание

числа переходов с испусканием квантов над переходами с их поглощением обеспечивается тем, что на верхних уровнях находится больше электронов, чем на нижних, тогда как вероятности вынужденных переходов в обоих направлениях одинаковы. Заполнение зон принято описывать с помощью т. н. квазиуровней Ферми, отделяющих состояния с вероятностью заполнения уровней больше 1/2 от состояний с вероятностью заполнения меньше 1/2. Если Eie и Eiд — квазиуровни Ферми для электронов и дырок, то условие инверсии населённостей относительно переходов с энергией hv (где v — частота излучения) выражается формулой:
Eie  - Eiд > hv.
Для поддержания такого состояния необходима высокая скорость накачки, восполняющей убыль электронно-дырочных пар вследствие излучательных переходов. Благодаря этим вынужденным переходам поток излучения нарастает (рис. 1), т. е. реализуется оптическое усиление.

б — оптического усиления при наличии инверсии населённостей состояний вблизи

краев зон — дна.

две плоскопараллельные поверхности, перпендикулярные р-n-переходу (рис. 2), образуют оптический резонатор

(коэффициент отражения от граней кристалла ~20—40%). Инверсия населённостей достигается при большой плотности прямого тока через диод (порог генерации соответствует току ~1 кА/см2, а при пониженной температуре ~ 102 A/см2, рис. 3). Для получения достаточно интенсивной инжекции применяют сильно легированные полупроводники.

б — при сильном прямом токе; носители диффундируют в области,

прилегающие к переходу, образуя с основными носителями избыточные электронно-дырочные пары.

которого образуют оптический резонатор, типичные размеры 250/250/100 мкм. Резонатор может

быть внешним. Активной средой является тонкая прослойка полупроводника, при мыкающая к инжекторному контакту, в которой накапливаются избыточные носители обоих знаков. Толщина активного слоя инжекционного лазера обычно 20 – 200 нм.
Лазерное излучение получают в пределах спектральной полосы люминесценции или вблизи неё, причём в излучательных процессах участвуют свободные носители. Важнейшим типом инжекционных лазеров является гетеролазер, в структуру которого включены гетеропереходы между полупроводниковыми материалами с различающимися электрическими и оптическими свойствами, что позволяет снизить пороговый ток лазерной генерации и увеличить КПД.

системах, где существенны быстродействие, малые размеры, экономичность, долговечность. Преимущество для

дальней связи (> 100 км без ретрансляции) имеют инжекционные лазеры на длинах волн λ 1,3 и 1,55 мкм, оптимальных по прозрачности и пропускной способности волоконно-оптического тракта. Другие области применения – лазерные систему памяти (видеодиски), спектроскопия.
Полупроводниковые лазеры инжекционного типа работают в импульсном режиме с выходной мощностью до 100 вт и в непрерывном режиме с мощностью более 10 вт (GaAs) в ближней инфракрасной (ИК) области (λ = 850 нм) и около 10 мвт (PbxSn1-xTe) в средней ИК области (λ = 10 мкм). Недостаток инжекционных лазеров — слабая направленность излучения, обусловленная малыми размерами излучающей области (большая дифракционная расходимость), и относительно широкий спектр генерации по сравнению с газовыми лазерами.

например, двусторонние гетероструктуры (рис. 1). Активный слой (GaAs) заключён между

двумя полупроводниковыми гетеропереходами, 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 (электронное ограничение). При одинаковом токе накачки в активном слое гетероструктуры достигается большая концентрация электронно-дырочных пар и, следовательно, большее оптическое усиление, чем в полупроводниковом лазере на р—n-переходах. Другое преимущество гетероструктуры состоит в том, что образованный активным слоем диэлектрический волновод удерживает излучение, распространяющееся вдоль структуры, в пределах активного слоя (оптическое ограничение), благодаря чему оптическое усиление используется наиболее эффективно. Для П. л. на гетеропереходе необходимая плотность тока при Т = 300 К более чем в 10 раз ниже, чем у лазере на р—n-переходе, что позволяет осуществить непрерывный режим генерации при температуре до 350 К.

энергетическая схема.