НАПІВПРОВІДНИКОВА ЕЛЕКТРОНІКА Лекція 15 Напівпровідникові лазери

національного університету імені Тараса Шевченка

чи лазер на суміші He-Ne) випускають випромінювання когерентне в просторі

і часі. Це значить, що випромінювання лазера високо монохроматичне (має вузьку смугу спектру) і створює направлений промінь світла.
Відмінні особливості напівпровідникових лазерів:
1. В звичайних лазерах квантові переходи відбуваються між дискретними рівнями; тоді як в напівпровідникових лазерах переходи обумовлені зонною структурою матеріалу.
2. Напівпровідникові лазери мають дуже малі розміри (0,1 мм в довжину), і, так як активна область в них дуже вузька (1 мкм і менш), розходження лазерного променя значно більше, ніж у звичайного лазера.
3. Просторові і спектральні характеристики випромінювання напівпровідного лазера сильно залежать від властивостей матеріалу з якого зроблений перехід (таких властивостей, як структура забороненої зони і коефіцієнт заломлення).
4. В лазері з p-n переходом лазерне випромінювання виникає безпосередньо під дією струму, що протікає через прямо зміщений діод. В результаті система в цілому дуже ефективна, оскільки дає змогу легко здійснювати модуляцію випромінювання за рахунок модуляції струму. Оскільки напівпровідникові лазери характеризуються дуже малими часами стимульованого випромінювання, модуляція може здійснюватись на високих частотах.

волокні. Позначені три значення довжини хвилі, що являють найбільший інтерес.
Завдяки

малим розмірам і можливості високочастотної модуляції напівпровідниковий лазер являє собою один з перспективних джерел випромінювання для волоконно-оптичних систем зв’язку.

=0,9 мкм
Лазери: GaAs-AlxGa1-xAs
Фотодетектори: Si-фотодіоди або Si -фотодіоди з лавинним помноженням.

=1,3 мкм
=1,55 мкм
Лазери: четверні з’єднання GaxIn1-xAsyP1-y - InP
Фотодетектори: Ge- лавинні фотодіоди або фотодіоди на потрійних і четверних сполуках.

створені гетеролазери на з’єднаннях А3В5 і А4В6.
Найбільш інтенсивні дослідження і

розвиток отримали GaAs і споріднені йому тверді розчини елементів А3В5. Сполуки А4В6, такі як PbS, PbTe, PbSe і споріднені їх тверді розчини такою мають лазерні властивості.

А3В5.
До найбільш важливих складних сполук відносяться тверді розчини AlxGa1-xAsySb1-y і

GaxIn1-xAsyP1-y.

і E2. Чорними кружками позначені стани атома. а- поглинання; б-

спонтанне випромінювання; в- стимульоване випромінювання.

Час життя пов’язаний зі спонтанною емісією (тобто середній час збудженого стану) може змінюватись в широкому діапазоні, зазвичай в межах 10-9-10-3 с, в залежності від параметрів напівпровідника, таких як структура зон (пряма чи непряма) і густина рекомбінаційних центрів.

Зіткнення фотона, що має енергію h12 з атомом, який знаходиться в збудженому стані, стимулює миттєвий перехід атома в основний стан з випусканням фотона з енергією h12 і фазою, що відповідає фазі падаючого випромінювання. Цей процес називається стимульованим випромінюванням.

у виді резонатора Фабрі-Перо.

Зміщення лазерного діода в прямому напрямку викликає

протікання струму. Спочатку, при низьких значеннях струму виникає спонтанне випромінювання, що розповсюджується в усіх напрямках. При збільшенні зміщення струм досягає порогового значення, при якому складаються умови для стимульованого випромінювання, і p-n перехід випускає монохроматичний і строго направлений промінь світла.

одним гетеропереходом; структура з двома гетеропереходами.
Для гомоструктур (наприклад, p-n -переходів

на основі GaAs) порогова густина струму швидко збільшується з ростом температури При кімнатній температурі типове значення Jth (отримане при вимірах в імпульсному режимі) складає 5,0104 А/см2. Така велика густина струму складає серйозні труднощі при реалізації режиму неперервної генерації при 300К. З метою зменшення порогової густини струму були запропоновані, а потім за допомогою епітаксійної технології реалізовані лазери на гетероструктурах.

(б).
то кут падінні променю 12 на границі розділу між шарами

1 і 2 буде більше критичного. Аналогічна ситуація спостерігається на границі розділу шарів 2 і 3. Таким чином, якщо показник заломлення активної області більший показників заломлення оточуючих її шарів, то електромагнітне випромінювання розповсюджується в напрямку, паралельному границі розділу шарів.

В ДГ-лазері світло утримується і направляється діелектричним хвилеводом.
Якщо показники заломлення шарів задовольняють умові

в трьох типах гетеролазерів. а- ДГ-лазер з роздільним обмеженням; б-

ДГ-лазер з розширеним хвилеводом; в- чотирьохшаровий гетеролазер.

Низька порогова густина струму в гетеро лазерах забезпечується двома факторами:
1) обмеженням носіїв енергетичними бар’єрами між активною областю і шаром напівпровідника з більш широкою забороненою зоною;
2) оптичним обмеженням за рахунок різкого зменшення показника заломлення за межами активної області.

а) Jth500 A/см2.

p-n переходу. На вставці показаний лазер з розподіленим зворобнім зв’язком

(РЗЗ-лазер).

В усіх розглянутих структурах зворотній зв’язок необхідний для генерації лазерного випромінювання, забезпечується за рахунок відбиття на торцевих гранях резонатора, сформованих сколюванням або поліровкою. Зворотній зв’язок може бути також отриманий шляхом періодичної зміни показника заломлення всередині оптичного хвилевода, що зазвичай досягається гофруванням границі розділу між двома діелектричними шарами.

в яких використовуються такі гофровані структури, називаються лазерами з розподіленим

зворотнім зв’язком (РЗЗ).

Зміна випромінювання лазера з резонатором Фабрі-Перо пов’язана з температурною залежністю ширини забороненої зони, а зміна довжини хвилі генерації РЗЗ лазера – зі слабшою температурною залежністю показника заломлення.

(б) і фононне розсіяння в гетеролазері з квантовою ямою (в).

ДГ-лазера на GaAs-AlxGa1-xAs при кімнатній температурі. На вставці представлена схема

вимірювання.

Залежність потужності випромінювання від струму накачки полоскового GaAs-AlxGa1-xAs гетеролазера з зарощеним активним шаром (а) і залежність порогового струму в режимі неперервної генерації від температури (б).

порогового і вище порогового значень, що ілюструють ефект звуження полоси

випромінювання при переході до режиму лазерної генерації.

Спектри випромінювання ДГ-лазера на InP-GaInAsP, поміряні з високою роздільною здатністю.

режимі неперервної генерації при температурі 300 К (а), і залежність

потужності випромінювання від струму накачки (б).

затримки td показаний на вставці.

структура лазера.

від температури. На вставці показана структура ДГ-лазера на PbTe-PbSnTe.

в режимі неперервної генерації.