18 Полупроводниковый лазер на гетеропереходе (Лабораторный практикум)

Цель работы: исследование параметров и характеристик полупроводни­кового квантового генератора (ПКГ), выполненного на основе гетероструктуры.

Описание лабораторной установки

Энергетическая накачка этого лазера осуществляется путем инжекции свободных носителей заряда в переход при подаче на него прямого сме­щения, поэтому такой лазер называют инжекционным. Установка для исследования полупроводникового лазера состоит из следующих основных частей (рис.1): собственно квантового ге­нератора (ПКГ); блока питания; вольтметра для измерения напряжения питания лазера Uп и миллиамперметра для измерения тока инжекции лазера Iи; дифракционной решетки (ДР) для измерения рабочей длины волны; фотоприемной головки (ФП), со­держащей фотодиод и микроамперметр для измерения фототока Iф.

Рис 1. Установка для исследования лазера.

Лазер выполнен на основе гетероструктуры с использованием полупроводникового трехкомпонентного твердого раствора GаAlАs (добавление Al в GaAs увеличивает ширину запрещенной зоны полупроводника, что позволяет создать гетеропереход). Кристалл зажат между двумя массивными медными пластинами, являющимися электрическими выводами лазерного диода и одно­временно теплоотводом. Две противоположные грани полупроводнико­вой пластины, перпендикулярные плоскости гетероперехода, образуют опти­ческий резонатор. Его отражающие поверхности чаще всего получают путем скола кристалла вдоль кристаллографической плоскости, что обеспечивает получение идеально ровных и параллельных плоскостей. Ввиду значительного коэффициента преломления света на границе "воздух - арсенид галлия" коэффициент отражения от поверхностей резонатора составляет ~ 0,3, что достаточно для реализации усло­вий самовозбуждения. Остальные четыре грани полупроводникового кристалла делают шероховатыми, чтобы исключить возникновение паразитных колебаний.

При подаче на лазерный диод прямого напряжения Uп в область гетероперехода инжектируются неравновесные избыточные электроны и дырки. Концентрация этих носителей тем выше, чем больший ток Iи протекает через диод. В процессе инжекции носителей в обедненный слой в нем происходит рекомбинация электро­нов и дырок, сопровождающаяся излучением фотонов с рабочей длиной волны, соот­ветствующей ΔEз - ширине запрещенной зоны активной области полупроводника:

λраб = C · h / ΔEз, где h – постоянная Планка, С-скорость света.

В инжекционных лазерах используются исключительно прямозонные полупроводниковые материалы, в которых вероятность межзонной излучательной рекомбинации существенно выше вероятности безизлучательной рекомбинации. Для создания инверсной населенности энергетических уровней в активном слое лазерного диода области p и n силь­но легируются примесями до вырождения полупроводника.

Лазерное излучение из диода возникает когда через него протекает прямой ток, превышающий определенное значе­ние (называемое пороговым током Iпор). В этом случае достигается такой уровень инжекции носителей, при котором коэффициент квантового усиления активного слоя компенсирует суммарные оптические потери внутри кристалла. Величина порогового тока является важнейшим параметром лазерного диода и определяет его КПД. Чем меньше потери в кристалле (оптические потери, диффузия свободных носителей из активного слоя, приводящая к уменьшению инверсной населенности и др.), тем меньше пороговый ток.

У лазеров на гетеропереходах перечисленные потери существенно меньше, чем у лазеров на гомопереходах, по­этому когерентное излучение возникает при меньших пороговых токах и они могут работать при комнатной темпера­туре в непрерывном режиме.

Регистрация излучения производится с помощью фотодиода, пре­образующего электромагнитное излучение лазера в фототок Iф. Спектр поглощения фотодиода сопряжен со спектром излучения лазера. В силу малой мощности излучения исследуемого лазера можно считать, что фототок линейно связано с мощностью излучения лазера зависимостью Iф = Кф · Ризл, где К_ф мкА/мВт – токовая чувствительность фотодиода.

Следовательно, измеряя фототок, можно опреде­лить мощность излучения ПКГ: Pизл = Iф / К_ф.

Порядок выполнения работы

1. Исследование энергетических характеристик лазера.

Ручку напряжения питания лазера поверните против часовой стрелки до упора. Тумблер блока питания ПКГ переведите в положение «Вкл».

Изменяя через 0,1В напряжение питания лазера Uп от минимального до максимального значения фиксировать значения тока инжекции лазера Iи и фототока фотоприемной головки Iф по показаниям стрелочных приборов лабораторной установки.

Данные измерений занесите в таблицу 1.

Таблица 1

По формуле Рн = Uп · Iи определите мощность инжекционной накачки ПКГ.

По формуле Ризл =Iф/Кф определите мощность лазер­ного излучения,

где Кф= 125 мкА/мВт.

Подсчитайте для измеренных значений Uп КПД лазерного диода:

КПД= (Ризл / Pн ) · 100%

Данные расчетов занесите в таблицу 1.

По результатам расчетов постройте следующие зависимости:

- вольт-амперную характеристику лазерного диода Iи = f(Uп);

- зависимость мощности излучения лазера от тока инжекции Ризл = f(Iи);

- зависимость мощности излучения лазера от мощности накачки Ризл = f(Рн);

- зависимость кпд лазера от мощности накачки КПД = f(Pн).

По графику Ризл = f(Iи) определите значение порогового тока лазера Iпор.

1. Измерение рабочей длины волны лазера.

Для измерения рабочей длины волны ПКГ установите на пути лазерного луча дифракционную решетку (ДР), входящую в состав лабораторной установки, в соответствии с рис.2.

Рис.2 Измерение длины волны излучения лазера.

В результате прохождения лазерного луча через дифракционную решетку происходит его отклонение от первоначального направления, по величине которого можно вычислить рабочую длину волны по формуле:

λраб = а ·Δx/Δz , где:

а = 0,01мм – постоянная дифракционной решетки;

Δx – отклонение первого бокового луча от оптической оси на плоскости Х;

Δz – расстояние от дифракционной решетки до плоскости Х.

По величине рабочей длины волны рассчитайте ширину запрещенной зоны активной области ПКГ:

ΔEз = C · h /λраб , где:

- скорость света С = 3·10­­­⁸ м/с;

- постоянная Планка h = 4,14·10^-15 эВ·с.

По окончании эксперимента отключите питание лазера, переведя тумблер блока питания ПКГ в положение «Выкл».

ОТЧЕТ

по лабораторной работе студент:

группа:

дата:

тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА НА ГЕТЕРОПЕРЕХОДЕ

1. Схема эксперимента.

2. Энергетические характеристики лазера.

Пороговый ток ПКГ: Iпор =

1. Определение рабочей длины волны лазера.

Рабочая длина волны ПКГ:

λраб = а ·Δx/Δz =

Ширина запрещенной зоны активной области ПКГ:

ΔEз = C · h /λраб =