Інжекційні напівпровідникові лазери
Інжекційними називають такі напівпровідникові лазери (лазери на основі напівпровідникового кристала), які для накачування використовують інжекцію в сусідні ділянки неосновних їм надлишкових носіїв через прямо зміщений p-n-перехід.
Призначення. Інжекційні напівпровідникові лазери призначені для генерування когерентного оптичного випромінювання.
Класифікація. Інжекційні напівпровідникові лазери класифікують за типом переходів. Розрізняють лазери, виготовлені на гомо-і гетеропереходах. Як відомо, гомопереходи виникають на межі розділу двох однакових напівпровідників з однаковою шириною забороненої зони, але різним типом провідності, тоді як гетеропереходи виникають на межі розділу двох різних напівпровідників з різною шириною забороненої зони і не обов'язково з різним типом провідності. Лазери на гетеропереходах класифікують ще за кількістю гетероструктур. Виділяють лазери з однією, двома, трьома та більше гетероструктурами. Інжекційні напівпровідникові лазери класифікують за розмірами активної ділянки - шару напівпровідника, в якому відбувається випромінювальна рекомбінація. Розрізняють лазери зі значною за розмірами активною ділянкою (площа поперечного перерізу більше 1 мкм 2 ) і малою (ниткоподібною) активною ділянкою (площа поперечного перерізу 2 ). Ще застосовують класифікацію характером зворотний зв'язок. Виділяють прилади із зосередженим та розподіленим зворотним зв'язком.
Умовні зображення та позначення. На схемах інжекційні напівпровідникові лазери зображують так, як показано на рис 1. До умовного позначення в текстах інжекційних напівпровідникових лазерів входить назва функціонального пристрою, його вид, номер розробки, особливості конструкції.
Будова. Інжекційний напівпровідниковий лазер на p-n-переході являє собою напівпровідниковий діод, виготовлений з прямозонних напівпровідників, дві плоскопаралельні грані якого перпендикулярні площині p-n-переходу і є дзеркалами оптичного резонатора (рис. 2). Як відомо, прямозонними називають напівпровідники, в яких максимум валентної зони розташований навпроти мінімум зони провідності. До них відносяться більшість з'єднань.
Мал. 1. Умовне зображення інжекційного напівпровідникового лазера
Мал. 2. Інжекційний напівпровідниковий лазер
Активна ділянка простягається вздовж осі кристала від одного дзеркала до іншого. Разом із дзеркалами вона утворює оптичний резонатор. Діоди, які мають оптичний резонатор, утворюють лазерний прилад, який генерує когерентне світло, а діоди, які не мають оптичного резонатора (в яких відсутні дзеркальні плоскопаралельні грані), фактично є інжекційними діодами, що випромінюють некогерентне світло. Когерентним, як відомо, називають таке світло, у якого коливання всіх випромінюючих атомів узгоджені в часі з частотою, фазою і напрямком поляризації. На практиці поширені напівпровідникові гетеролазери, тому вони концентрують світловий потік у меншій за розмірами активній ділянці. Прямозонні напівпровідники, з яких виготовляють гетеропереходи, за різного хімічного складу повинні мати однаковий період кристалічної решітки. Використовують тверді багатокомпонентні розчини. Наприклад, гетеролазери на основі твердого розчину лазерну гетерострукгуру складають шари, які показані на рис. 3.
Мал. 3. Структура гетеролазера із двосторонньою гетероструктурою на основі Al Ga As. Пунктиром показано розташування активногоділянки
Вони активний ділянку розміщений посередині кристала між двома гетеропереходами. Для виготовлення гетеролазерів крім двосторонньої гетероструктури, наведеної на рис. 3 використовують ще подвійні гетероструктури, одна з яких наведена на рис. 4.
Мал. 4. Будова інжекційного напівпровідникового лазера з подвійною гетероструктурою
Робота. Для того, щоб відбулося генерування когерентного світлового випромінювання, необхідні три функціональні вузли: активне середовище, яке генерує та посилює світло, пристрій для його збудження (накачування) оптичний резонатор, який створює позитивний зворотний зв'язок. Взаємодія цих функціональних вузлів до певної міри ілюструє рис. 5.
Мал. 5. Схема роботи (а) та зонна діаграма (б) напівпровідникового інжекційного лазера
При подачі прямого зміщення р-n-перехід енергія носіїв зростає, а потенційні бар'єри їм знижуються. В результаті виникає інжекція надлишкових носіїв у сусідню ділянку. Робочу напругу вибирають із умови
У гетеролазерах виконанню цієї умови сприяє різна ширина забороненої зони елементів гетероструктури. Внаслідок інжекції відбувається інверсне заселення енергетичних рівнів, під час якого надлишкові електрони займають верхні рівні над дном зони провідності, а надлишкові дірки нижні рівні під вершиною валентної зони. Енергетичні діаграми гетероструктур характеризуються різними величинами потенційних бар'єрів для зустрічних потоків дірок і електронів, що призводить до односторонньої інжекції носіїв з широкозонного емітера в вузькозонну базу. Більше того, спостерігається «суперінжекція», яка полягає в тому, що концентрація інжектованих у базу носіїв може на кілька порядків.перевищувати своє рівноважне значення в емітерній ділянці. В наступний момент надлишкові високоенергетичні (збуджені) електрони повертаються із зони провідності у валентну зону, де вони рекомбінують з дірками, випромінюючи кванти світлової енергії. У гетероструктурі оптичні властивості емітера та основи різні. Широкозонний емітер слабо поглинає світло, яке генерується вузькозонною базою, разом із більшою його оптичною щільністю веде до концентрації у ньому світлової енергії. Створена таким способом світлова хвиля поширюється у бік дзеркальних граней кристала і, відбиваючись від нього, багаторазово проходить активну ділянку, у результаті посилюється. Посилений світловий потік, по-перше, збуджує надлишкові носії, переводячи їх у відповідні дозволені зони, чим забезпечує позитивний зворотний зв'язок. По-друге, він компенсує втрати світлової енергії на поглинання. По-третє, він забезпечує вихід залишків світлової енергії межі кристала.
Застосування. Основними областями застосування напівпровідникових інжекційних лазерів є лінії оптичного зв'язку, голографія тощо.
Поділитись "Інжекційні напівпровідникові лазери"