Полупроводниковые лазеры

состояния
валентной зоны заняты электронами, а в
зоне проводимости электронов

Если перевести электроны внутрь зоны
проводимости, что они очень быстро
срелаксируют на самые нижние уровни
энергии этой зоны, а состояния вверху
валентной зоны окажутся незанятыми

Между нижними состояниями зоны
проводимости и верхними состояниями
валентной зоны возникнет инверсная
населенность

Такую схему накачки на практике
реализовать сложно, потому что
полупроводник необходимо поддерживать
при близких к абсолютному нулю
температурах

в активную область через p-n переход с последующей
рекомбинацией электронов

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

торца)
Размеры: 100 мкм по высоте, 200 мкм по ширине, 200-500

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

– примерно 105 А/см2 при комнатной
температуре
2. Усиление возникает по

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

обладать разной шириной запрещенной зоны,
в то время как параметры

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

n-типа
GaAs
активная область (0.1 – 0.3 мкм)
теплоотвод

межмодовые расстояния →
в область усиления полупроводникового лазера могут попасть

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

Длина волны излучения полупроводникового лазера сильно зависит от
температуры кристалла – при изменении температуры меняется показатель
преломления активной среды, и частоты мод меняются

Спектр излучения полупроводниковых лазеров охватывает диапазон
до 5-10 нм

Выходные мощности излучения в непрерывном режиме не превышают
величин порядка 10 мВт: при больших мощностях высокие интенсивности
лазерного пучка могут разрушить кристалл

излучающего на длине волны 0.85 мкм, с длиной
кристалла 250

I, мА
5
10
P, мВт
T=300 K
T=400 K
Величины пороговых

В импульсном режиме мощность излучения
лазера на GaAs может достигать сотни ватт

Группы полупроводниковых лазеров

1. А3В5 – GaAs (λ=0.85 мкм), GaP (λ=0.6 мкм), InAs (λ=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