к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Полупроводниковый лазер

  1. Общие сведения о полупроводниковых лазерах
  2. Накачка полупроводниковых лазеров
  3. Материалы и структуры полупроводниковых лазеров
  4. Основные характеристики полупроводниковых лазеров
  5. Литература по полупроводниковым лазерам

Общие сведения о полупроводниковых лазерах

Полупроводниковый лазер - лазер на основе полупроводниковой активной среды. В отличие от лазеров др. типов, в полупроводниковых лазерах используются квантовые переходы между разрешёнными энергетич. зонами, а не дискретными уровнями энергии (см. Полупроводники ). Лазерный эффект в полупроводниковых лазерах связан в осн. с межзонной люминесценцией (излучат. рекомбинацией созданных внеш. воздействием избыточных электронов и дырок; рис. 1). Поэтому длину волны l лазерного излучения можно выразить через ширину запрещённой зоны 4006-10.jpg4006-11.jpg

где h - постоянная Планка, с - скорость света. Полупроводниковые лазеры перекрывают спектральный диапазон от4006-12.jpg0,3 мкм до 4006-13.jpg45 мкм (рис. 2).

В полупроводниковой активной среде может достигаться очень большой показатель оптич. усиления (до 4006-14.jpg), благодаря чему размеры полупроводниковых лазеров исключительно малы, напр. длина резонатора может составлять неск. мкм, типично - 200-300 мкм. Помимо компактности, особенностями полупроводниковых лазеров являются малая инерционность 4006-15.jpg высокий кпд4006-16.jpg возможность плавной спектральной перестройки, большой выбор веществ для генерации в широком спектральном диапазоне.

4006-17.jpg

К достоинствам полупроводниковых лазеров следует также отнести совместимость полупроводниковых лазеров с полупроводниковыми приборами др. типов и возможность монолитной интеграции, возможность электронного управления режимом генерации и параметрами излучения - длиной волны, степенью когерентности, числом спектральных мод и т. п., возможность ВЧ-модуляции излучения путём модуляции тока накачки, низковольтность (<1-3 В) электропитания, а также наибольшую среди лазеров др. типов долговечность (до 4006-18.jpg ч).

Полупроводниковый лазер включает в себя активный элемент из полупроводникового монокристалла, чаще всего в форме бруска ("чипа"). Собственно активная область элемента обычно составляет лишь его малую часть, и её объём, напр, в современном, т. н. полосковом, инжекционном лазере, оказывается в пределах 4006-19.jpg Оптический резонатор полупроводникового лазера образован либо торцевыми зеркальными гранями активного элемента (изготовляемого обычно путём раскалывания пластин по плоскостям спайности кристалла), либо внеш. отражателями и сложными устройствами с периодич. структурами обратной связи (брэгговскими отражателями и структурами распределённой обратной связи).

Накачка полупроводниковых лазеров

Важнейшим способом накачки в полупроводниковых лазерах является инжекция избыточных носителей заряда через р - n-переход, гетеропереход или др. нелинейный электрич. контакт. На рис. 3 показан инжекц. лазер с активной полоской, вытянутой вдоль оси оптич. резонатора перпендикулярно двум плоскопараллельным торцам лазера. Из-за сравнительно малых размеров излучающего пятна на торце инжекц. лазера испускаемое излучение сильно дифрагирует при выходе во внеш. среду и его направленность оказывается невысокой (угол расходимости лазерного пучка составляет 20 - 40° и обычно заметно различается во взаимно ортогональных плоскостях).

Др. способами накачки служат электрич. пробой в сильном поле (напр., в т. н. стримерных лазерах), освещение (полупроводниковые лазеры с оптической накачкой) и бомбардировка быстрыми электронами (полупроводниковые лазеры с электронно-лучевой или электронной накачкой).

Пполупроводниковые лазеры с накачкой электрич. пробоем содержит активный элемент в форме чипа-резонатора с контактами для подведения высоковольтного напряжения. В стримерном полупроводниковом лазере используется пробой при стримерном разряде в однородном полупроводниковом образце высокого сопротивления. Напряжение в этом полупроводниковом лазере подводится в виде коротких импульсов, а излучающее пятно быстро перемещается вслед за головкой (стримером) электрич. разряда.

При использовании оптич. или электронно-лучевой накачки активная область располагается в приповерхностном слое полупроводникового образца, и толщина этой области зависит от глубины проникновения энергии накачки. В зависимости от взаимного расположения пучка накачки и лазерного луча используют как продольный, так и поперечный вариант геометрии накачки. Полупроводниковый лазер с электронно-лучевой накачкой помимо активного элемента (мишени) включает в себя электронную пушку. Особенностью лазеров с такой накачкой является возможность быстрого изменения конфигурации накачки, напр. сканирования со скоростями, обеспечивающими воспроизведение телевиз. изображения (лазерное проекц. телевидение).

4006-20.jpg

Рис. 2. Полупроводники, используемые в полупроводниковых лазерах, и спектральные диапазоны излучения.

Физический механизм. Рабочие уровни в полупроводниковых лазерах обычно принадлежат энергетич. зонам, т. е. областям сплошного спектра энергетич. состояний, а активными частицами лазерной среды являются свободные носители заряда. Накачка обеспечивает поступление избыточных электронов в зону проводимости и избыточных дырок в валентную зону (напр., оптич. накачка порождает избыточные пары носителей - электронов и дырок - за счёт межзонного поглощения; см. в ст. Полупроводники). Время свободного пробега носителя обычно мало (10-13 - 10-12 с) вследствие быстрых процессов внут-ризонной релаксации носителей (в частности, электрон-электронных столкновений, рассеяния на фононах и примесях и т. и.). В результате неравновесные носители могут "термализоваться", т. е. перейти на более низкие энергетич. уровни в пределах своей зоны, распределившись по энергии 4006-21.jpg в соответствии с функцией распределения Ферми для электронов и дырок (см. Ферми - Дирака распределение):4006-22.jpg4006-23.jpg

4006-24.jpg

Здесь Т - абс. температура,4006-25.jpg т. н. квазиуровни Ферми .Образно говоря, электроны "скатываются" ко "дну" зоны проводимости4006-26.jpg а дырки "всплывают" к "потолку" валентной зоны 4006-27.jpgраньше, чем рекомбинируют между собой. Время жизни избыточных носителей, ограниченное рекомбинацией, само по себе довольно мало4006-28.jpg4006-29.jpg однако оно существенно превышает время свободного пробега и время, необходимое для термализации носителей. Это справедливо и в том случае, когда используется накачка активной среды быстрыми электронами, исходная энергия к-рых составляет 4006-30.jpg эВ. Электроны накачки порождают лавину вторичных неравновесных электронов и дырок, термализующихся к краям своих зон. Время релаксации электронов большой энергии также очень мало из-за возможности расхода энергии на ионизацию (порождение вторичных пар) и на генерацию ВЧ-фоеонов.

Состояние возбуждённой полупроводниковой среды, при к-ром имеется избыток концентрации носителей, распределённых, однако, в осн. в соответствии с фермиевскими функциями 4006-31.jpg называют квазиравновесным, подчёркивая тем самым энергетич. равновесность внутри каждой зоны при отсутствии равновесия между зонами.

Мерой отклонения от равновесия концентрации носителей при квазиравновесии служит разность 4006-32.jpg4006-33.jpg излучат. переходы преобладают над переходами с поглощением, если вероятность заполнения электронами верхних рабочих уровней превышает вероятность заполнения ими ниж. уровней. Это условие сводится к следующему неравенству:

4006-34.jpg

где 4006-35.jpg- энергия ниж. состояния (в валентной зоне), 4006-36.jpg - энергия верх, состояния (в зоне проводимости); величина 4006-37.jpg представляет собой вероятность заполнения соответствующего состояния электроном. С учётом (2) для квазиравновеспя условие (3) может быть выражено в виде

4006-38.jpg

и поскольку для межзонного перехода4006-39.jpg то одноврем. выполняется условие

4006-40.jpg

4006-41.jpg

Рис. 3. Полосковый инжекционный лазер: а - общий вид в сборке; б - схема; в - сечение вблизи активной области (АО).

Неравенство (5) является условием инверсии для межзонных переходов. Инверсия населённостей может быть получена и для переходов между зоной и примесным уровнем или примесными зонами в легиров. полупроводниках, и даже между дискретными уровнями примесного центра (напр., полупроводниковые лазеры на внутрицентровом переходе в InP, легированном Fe, работающий на длине волны 2,7 мкм при 2 К). Созданы также излучатели когерентного дальнего ИК-излучения, работающие при низкой температуре в режиме коротких импульсов на внутривенных переходах в скрещённых электрич. и магн. полях.

Состояние инверсии достигается благодаря действию интенсивной накачки и в случае межзонных переходов выполняется прежде всего для рабочих уровней, находящихся на самых краях обеих зон (в сильноле-гиров. полупроводниках - для уровней в "хвостах" зон, протягивающихся в номинально запрещённую зону). Это объясняет справедливость соотношения (1) для большинства лазеров, т. е. объясняет связь энергии фотона лазерного излучения с шириной запрещённой зоны излучающего полупроводника. Все факторы, оказывающие действие на ширину4006-42.jpgзапрещённой зоны полупроводника (темп-pa, давление, магн. поле), влияют на длину волны лазерного излучения полупроводникового лазера и одноврем. на показатель преломления среды. Это позволяет осуществлять перестройку длины волны лазерного излучения, напр. для спектроскопич. целей. С др. стороны, для получения лазерного излучения на фиксиров. длине волны необходимо предпринимать меры для её стабилизации, поддерживая на пост. уровне температуру, ток накачки и т. п.

Условие инверсии может быть выполнено для фотонов в нек-рой спектральной полосе (рис. 4). Для получения эффекта лазерной генерации оптич. усиление должно компенсировать все потери потока фотонов в прело-лах лазерного резонатора, образуемого обычно собственно активной средой и зеркальными плоскостями.

Рис. 4. Спектральный контур полосы оптического усиления в полупроводниковом лазере.

4006-43.jpg

Такая компенсация достигается прежде всего вблизи максимума усиления, если не применена дополнит. спектральная селекция, смещающая рабочую частоту лазера. На пороге генерации должны быть выполнены два условия - компенсация энергетич. потерь за счёт оптич. усиления и наличие положит. обратной связи за счёт частичного (или полного) отражения оптич. потока от зеркал обратно в активную среду. Если R - коэф. отражения и К - коэф. усиления на длине активной среды между зеркалами, то условие генерации имеет вид


4006-44.jpg

(при включении накачки для накопления фотонов в резонаторе необходимо выполнить условие КR > 1 в стационарном режиме, если пренебречь вкладом спонтанного излучения 4006-45.jpg Для естеств. плоской поверхности полупроводникового кристалла, напр. GaAs, 4006-46.jpg0,32 (если внеш. среда - воздух или вакуум). Следовательно, для возникновения генерации оказывается достаточным 4006-47.jpg3, что легко можно получить на сравнительно малой длине активной среды (100 - 300 мкм), если учесть, что показатель усиления в полупроводниковой среде легко достигает значений 4006-48.jpg

Рис. 5. Энергетические диаграммы прямозонного (а) и непрямозонного (б) полупроводников.


4006-49.jpg

Материалы и структуры полупроводниковых лазеров

В полупроводниковых лазерах применяются так называемые прямозонные полупроводники (рис. 5, а), в к-рых термализирующиеся носители обоих знаков приобретают примерно одинаковый квазиимпульс ,собираясь в соответствующих экстремумах своих зон и затем излучательно рекомбинируя с выполнением закона сохранения квазиимпульса (импульс фотона составляет относительно малую величину). В непрямозонных полупроводниках (рис. 5, 6)для рекомбинации носителей требуется участие др. частиц или квазичастиц (напр., фононов, обладающих соответствующим квазиимпульсом), что существенно снижает вероятность излучат. перехода. В результате излучат. переходы не могут конкурировать с безызлучательными. Для непрямозонных полупроводников (к ним относятся, в частности, Si, Ge, SiC, GaP и др.) характерна слабая межзонная люминесценция, в них не развивается усиление, достаточное для возникновения генерации на этих переходах. Попытки создания эфф. лазеров на непрямозонных полупроводниках остались безуспешными. Прямозонные полупроводники, используемые в полупроводниковых лазерах (рис. 1), относятся в осн. к трём группам соединений:4006-50.jpg4006-51.jpg (первые две используются в инжекц. полупроводниковые лазеры). Кроме бинарных соединений, имеются многочисл. ряды изоморфных твёрдых растворов (на рис. 2 даны их сокращённые ф-лы: напр. GalnPAs означает где x и у - мольные доли соединений Ga4006-52.jpgи As, соответственно, составляющих многокомпонентную, в данном случае четырёхкомпонентную, смесь).

Среди лазерных материалов выделяются соединения и составы, входящие в т. н. изопериодические пары, т. е. пары кристаллов, различающиеся по хим. составу, ширине запрещённой зоны и др. физ свойствам, но имеющие одинаковый период кристаллич решётки Такие материалы пригодны для образования бездефектных гетеропереходов путём наращивания одного материала на другом эпитаксиаль-ными методами (см. Эпитаксия ).Совершенные гетеропереходы необходимы для формирования лазерных гетероструктур, широко используемых в современных полупроводниковых лазерах (наз. также гетеролазерами).

В изопериодич. паре более узкозонный компонент служит в качестве активного вещества и, следовательно, должен быть прямозонным материалом. Более широкозонный компонент выполняет роль эмиттерных слоев. Подбор изопериодич. материалов среди бинарных соединений весьма ограничен. Лучшей парой являются соединения GaAs (прямозонное4006-53.jpg1,5эВ) и AlAs (непрямозонное, 4006-54.jpg 2,1 эВ), у к-рых периоды решётки различаются на 0,14%. В твёрдых растворах бинарных соединений период решётки плавно зависит от состава; возможности подбора в них изопериодич. пар расширяются. Примером могут служить пара InP (4006-55.jpg= 1,35 эВ) и 4006-56.jpg=0,74 эВ), используемая в гетеролазере на длине волны 1,67 мкм. В четверных и др. многокомпонентных твёрдых растворах существуют непрерывные ряды изопериодич. материалов: напр., пара 4006-57.jpg 4006-58.jpg перекрывает диапазон длин волн 1,0-1,67 мкм, если-между c и у соблюдается "изопериодическое" условие В4006-59.jpgлазерных гетероструктурах активная область обычно представляет собой тонкий или сверхтонкий (< 100 нм) слой (иногда - неск. таких слоев с прослойками между ними), заключённый между широкозонными эмиттерными слоями (т. н. двойная гетерострук-тура). Активный слой обычно обладает свойствами ди-электрич. волновода, к-рый удерживает поток излучения, распространяющийся вдоль него, и уменьшает дифракц. оптич. потери. Активный слой образует собой потенц. яму для избыточных носителей одного или обоих знаков, и в случае особо малой его толщины (< 30 нм) в нём проявляется волновая природа электронов - квантование энергетич. уровней в яме оказывает влияние на спектральную форму полосы усиления. Такие полупроводниковые лазеры называются квантоворазмерными или лазерами с "квантовыми ямами". Уменьшение активного объёма позволяет понизить мощность накачки, необходимую для получения режима генерации. В наиб. миниатюрных лазерах пороговый ток генерации составляет ок. 1 мА при комнатной температуре, а для получения оптич. мощности 1 мВт достаточен ток накачки 5-10 мА. Распространённым вариантом пленарной лазерной гетероструктуры является двойная гетеро-структура с трёхслойным волноводом (рис. 6), в к-рой собственно активный слой снабжён тонкими волновод-ными прослойками. На основе такой модифициров. гетероструктуры достигнуты наиб. высокие характеристика ннжекц. лазера. В т. н. заращённых или заглублённых полосковых гетероструктурах активный волновод представляет собой полоску, ограниченную гетеропереходами со всех боковых сторон.


4006-60.jpg

Рис. 6. Двусторонняя лазерная гетероструктура на основе InGaAsP/InP с трёхслойным волноводом (l = 1,3 мкм).

В инжекц. лазерах удаётся использовать только те лазерные материалы, в к-рых можно получить p - n-переход или p - n-гетеропереход, а также возможно обеспечить протекание тока достаточно высокой плотности 4006-61.jpg К ним не относятся, в частности, прямозонные соединения типа4006-62.jpgи ряд др. полупроводников (Те, GaSe и др.). Ко всем материалам для полупроводниковых лазеров, однако, применимы бесконтактные способы накачки - оптическая и электронно-лучевая.

Основные характеристики полупроводниковых лазеров

Мощность излучения полупроводниковых лазеров как функция тока накачки (ватт-амперная характеристика; рис. 7) имеет излом на пороге генерации и крутой более или менее линейный участок, наклон к-рого представляет собой дифференц. ватт-амперную эффективность полупроводниковых лазеров. Пороговая плотность тока в инжекц. ге-теролазерах на основе GaAlAs/GaAs составляет при комнатной температуре 200-5004006-63.jpg при ма-

лой толщине активного слоя. В некоторых образцах полупроводниковых лазеров кпд (коэф. преобразования элект-рич. энергии в энергию лазерного излучения) достигает 30-40%. Типичная мощность непрерывного излучения полоскового полупроводникового лазера - ок. 10 мВт, хотя наилучшие ресурсные характеристики (напр., безотказная наработка >4006-64.jpgч) соответствуют мощности 1-3 мВт.


4006-65.jpg

Многоэлементные излучатели - фазированные лазерные монолитные "линейки" - обеспечивают мощность лазерного излучения на уровне 5-15 Вт в зависимости от размеров излучателя и числа полосковых элементов. В импульсном режиме мощность излучения ограничивается оптич. прочностью материала (критич. интенсивность излучения в GaAs составляет 2-3 4006-66.jpg при длительности импульса 4006-67.jpgс). Пиковая мощность инжекц. лазера с широким контактом достигает 20-50 Вт; в лазерах с большим рабочим объёмом, накачиваемых с помощью электронного пучка пли излучения др. лазера, мощность излучения в импульсном режиме может достигать4006-68.jpgВт.

Модовой состав излучения существенно зависит от конструкции и размеров резонатора полупроводникового лазера, а также от величины мощности излучения. Полупроводниковый лазер испускает узкую спектральную линию, к-рая сужается с увеличением мощности излучения, если не появляются пульсации и многомодовые эффекты. Сужение линии ограничивается фазовыми флуктуациями, обусловленными спонтанным излучением. Эволюция спектра излучения с ростом мощности в инжекц. лазере показана на рис. 7. В од-ночастотном режиме наблюдают сужение спектральной линии до4006-69.jpgГц; мин. значение ширины линии в полупроводниковых лазерах со стабилизацией одночастотного режима с помощью селективного внеш. резонатора составляет величину4006-70.jpg0,5 кГц. В полупроводниковых лазерах путём модуляции накачки удаётся получить модулиров. излучение, напр. в форме синусоидальных пульсаций с частотой, достигающей в нек-рых случаях 10-20 ГГц, или в форме УК-импульсов субпикосекундной длительности4006-71.jpg Осуществлена передача информации с помощью полупроводникового лазера со скоростью 2-8 Гбит/с.

Применение полупроводниковых лазеров находят в бытовых и техн. устройствах записи и воспроизведения информации (т. н. оптич. игла в проигрывателях на компакт-дисках, видеодисках, в голографич. системах памяти), в лазерных принтерах, волоконно-оптич. системах связи, системах накачки твердотельных лазеров, в автоматике, телеметрич. датчиках, науч. исследованиях, в спектроскопии, спектральных датчиках, оптич. дальномерах, высотомерах, в проекц. лазерном телевидении, оптич. "сторожах", имитаторах стрельбы, индикаторах и т. д. В заруб. странах годовое потребление полупроводниковых лазеров составляет 4006-72.jpg экземпляров, гл. обр. гетерлазеров на основе GaAlAs/GaAs и InGaAsP/InP.

Литература по полупроводниковым лазерам

  1. Елисеев П. Г., Введение в физику инжекционных лазеров, М., 1983;
  2. Басов Н. Г., Eлисеев П. Г., Попов Ю. М., Полупроводниковые лазеры, "УФН", 1986, т. 148, с. 35.

П. Г. Елисеев

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

(время поиска примерно 20 секунд)

Знаете ли Вы, что релятивизм (СТО и ОТО) не является истинной наукой? - Истинная наука обязательно опирается на причинность и законы природы, данные нам в физических явлениях (фактах). В отличие от этого СТО и ОТО построены на аксиоматических постулатах, то есть принципиально недоказуемых догматах, в которые обязаны верить последователи этих учений. То есть релятивизм есть форма религии, культа, раздуваемого политической машиной мифического авторитета Эйнштейна и верных его последователей, возводимых в ранг святых от релятивистской физики. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМАФорум Рыцари теории эфира
Рыцари теории эфира
 01.10.2019 - 05:20: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вячеслава Осиевского - Карим_Хайдаров.
30.09.2019 - 12:51: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Дэйвида Дюка - Карим_Хайдаров.
30.09.2019 - 11:53: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Владимира Васильевича Квачкова - Карим_Хайдаров.
29.09.2019 - 19:30: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
29.09.2019 - 09:21: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> КОЛЛАПС МИРОВОЙ ФИНАНСОВОЙ СИСТЕМЫ - Карим_Хайдаров.
29.09.2019 - 07:41: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Михаила Делягина - Карим_Хайдаров.
26.09.2019 - 17:35: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Пешехонова - Карим_Хайдаров.
26.09.2019 - 16:35: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
26.09.2019 - 08:33: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от О.Н. Четвериковой - Карим_Хайдаров.
26.09.2019 - 06:29: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Ю.Ю. Болдырева - Карим_Хайдаров.
24.09.2019 - 03:34: ТЕОРЕТИЗИРОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ - Theorizing and Mathematical Design -> ФУТУРОЛОГИЯ - прогнозы на будущее - Карим_Хайдаров.
24.09.2019 - 03:32: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - New Technologies -> "Зенит"ы с "Протон"ами будут падать - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research Institution home page

Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution