Глущенко А.Г., Головкина М.В. Физические основы волоконной оптики (2009), страница 17

Они могут быть названы гомопереходами. Однако существуют совершенно различные полупроводники, которые имеютодинаковые или почти одинаковые постоянные кристаллической решетки, поэтому они могут образовывать один монокристалл. При этом они имеют разную ширину запрещенной зоны иразличные параметры. Переходы между полупроводниками сразличными свойствами, но имеющими согласованные решетки,называют гетеропереходами.В гетеропереходах каждый из полупроводников может бытьn- типа или р- типа. Будем использовать для обозначения материалов с широкой запрещенной зоной обозначения прописнойбуквой N или P, а для материалов с узкой запрещенной зонойобозначения строчной буквой n или р. На рис.

15.4 схематически изображена двойная гетероструктура. Узкозонный материалn- или р- типа находится между слоями широкозонного материала N- или Р- типа. Генерация возникает в Р-n- или р-N- переходе. Двойная гетероструктура на основе GaAs широко приме-132няется в источниках света для систем связи.Электродp - GaAs1n или p - GaAsКонтактный слойОграничивающий слойАктивный слой3N - GaAlAsОграничивающий слой2P - GaAlAsn - GaAsКонтактный слойЭлектродРис. 15.4. Схематическое изображение двойной гетероструктуры.Использование гетероструктур приводит к следующим замечательным результатам:1. Увеличение эффективности инжекции (сверхинжекция).2. Ограничение неосновных носителей. Благодаря наличиюпотенциального барьера на границе полупроводников с различной шириной запрещенной зоны отсутствует сквозное прохождение электронов и дырок, вследствие чего рекомбинация сосредоточена в среднем слое.3.

Прозрачность широкозонного материала. Излучение, зародившееся в узкозонном материале, не может возбудить зоназонный переход в широкозонном материале. В результате этогослои 2 и 3 на рис. 15.4 оказываются значительно более прозрачными для излучения из материала 1, чем сам этот материал.4. Волноводный эффект. Вследствие разницы показателей преломления слой 1 гетероструктуры выполняет роль высококачественного диэлектрического волновода, излучение сосредоточено в 1 слое, и световые потери во внешних слоях отсутствуют.Благодаря применению гетероструктур были созданы низкопороговые полупроводниковые лазеры, работающие в непре-133рывном режиме при комнатной температуре, и высокоэффективные светоизлучающие диоды.Достоинства гетероструктуры наиболее полно могут проявиться в светодиоде Барраса (рис. 15.5).Многомодовое волокноСердцевина ~ 50мкмПокрытие ~ 125 мкмЭпоксиднаясмолаКонтакт1 10 мкм2 1 мкм3 1 мкм4 1 мкмn-Ga As подложка~ 40 мкм2-миллиметроваясеребрянная шпилькаОбласть, облученнаяпротонами40 мкмАктивная областьРис.

15.5. Светодиод Барраса на основе двойной гетероструктуры. Показано эпоксидное согласующее соединение с волокном. Слои: 1 - n − GaAlAs ; 2 - n − или р − GaAs ; 3 p − GaAlAs ; 4 - р+- GaAs контактный слой. Активная областьограничена изолятором, полученным в результате облученияпротонами.На рис. 15.6 изображен GaAls / GaAs светодиод на основедвойной гетероструктуры с самоюстирующейся сферическойлинзой для увеличения мощности, вводимой в волокно.На рис. 15.7 показан светодиод на основе двойной гетероструктуры GaInAs / InP . Подложка из InP прозрачна для излучения. Используется сферическая линза из стекла с высоким показателем преломления.134ЭпоксиднаясмолаСферическая линза (n=2,0)МеталлZn р -слойN - GaAlAsP - GaAlAsP - GaAsN - GaAlAsn - Ga As подложкаМеталлПрипойПоглотитель теплаРис.

15.6. Светодиод на основе двойной гетероструктуры с самоустанавливающейся сферической линзой [4].ВолокноМикролинза(Ti2O3: SiO2 стекло n=1,9)n - контактN - InP подложкаp - GaInAsPN - InPАктивнаяобластьSiO 2P - InPр - контактЗолотой поглотитель теплаРис. 15.7. Светодиод на основе двойной гетеростуктуры длядлинноволнового диапазона.На рис. 15.8 представлена еще одна конструкция светоизлучающего диода на основе двойной гетероструктуры. Посколькуподложка из InP прозрачна для излучения светодиода, имеетсявозможность изготовления монолитной микролинзы.135Волокно со сферическимконцомПокрытие(Si O2 - чистый для анализа)n - контактInP линзаN - InP подложкаN - InPn - InGaAsPp - InPP - InGaAsPSi O2Пластина AuПоглотитель теплаРис.

15.8. Вариант светодиода на основе двойной гетероструктуры для длинноволнового диапазона.Светодиод с торцевым излучением на основе двойной гетероструктуры, показанный на рис. 15.9, дает излучение с оченьмаленькой поверхности. Благодаря полному внутреннему отражению оптическое излучение распространяется в волноводномслое вдоль перехода.

Активная область ограничена полосковымконтактом и щелью на задней части активного слоя. Это позволяет сделать активную область достаточно короткой, чтобы невозникали лазерные колебания. Световое излучение может самопоглощаться в активном слое, но он сделан очень тонким, врезультате чего большая часть оптической мощности распространяется в слое, который ее не поглощает, так как имеет болееширокую запрещенную зону. Поглощение оказывается максимальным для коротковолнового излучения, что существенносужает спектральную ширину линии. Действие оптическоговолновода приводит к сужению диаграммы направленности излучения до 30о.

Это, а также малая площадь излучателя, делаетсветодиод с торцевым излучением хорошо приспособленнымдля работы с линзовым согласующим устройством. В приборахэтого типа, однако, труднее осуществить теплоотвод.136130 мкм3 мкм2 мкм0,05 мкм2 мкм3 мкм123456ЩельКонтактнаяпластинаПоказательпреломленияАи - контакт ипоглотитель тепла~30 0150мкм~1200Выходнойпучок50 мкмn - GaAsподложкаКонтактРис. 15.9. Светодиод на основе гетероструктуры с торцевым излучениемВыводыПриведены конструкции различных типов светоизлучающихполупроводниковых диодов. Рассмотрены преимущества использования в полупроводниковых диодах двойной гетероструктуры.Вопросы и задачи15.1. Как определяется квантовая эффективность системы светодиод - оптическое волокно?15.2. Как можно увеличить квантовую эффективность системысветодиод - волокно?15.3. Что такое гетероструктура?15.4.

Какие преимущества демонстрируют гетероструктуры приизлучении по сравнении с обычным p-n - переходом?137ЛЕКЦИЯ 16Принципы работы лазера.16.1. Основные элементы лазераЛазер - оптический квантовый генератор - это устройство,преобразующее различные виды энергии (электрическую, световую, химическую и др.) в энергию когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона. Термин лазер образован из начальных букв английского выражения light amplification by stimulated emission of radiation, что означает усилениесвета с помощью индуцированного излучения. Любой лазер,работающий как генератор когерентного излучения, должен состоять из трех элементов:1) устройства, поставляющего энергию,2) усиливающей среды, преобразующей полученную энергию вкогерентное излучение,3) устройства, осуществляющего обратную связь (резонатора).16.2.

Резонатор Фабри – ПероВ простейшем случае оптический резонатор представляетсобой два плоских зеркала, расположенных параллельно другдругу, между которыми находится усиливающая среда. Это иесть резонатор Фабри - Перо (рис. 16.1). Излучаемая в усиливающей среде волна отражается от зеркал и вновь возвращаетсяв активную среду, вызывая индуцированное излучение. Одно иззеркал делается полупрозрачным для выхода части излучения.z0dРис. 16.1.

Схема лазерного резонатора.138zz1Рассмотрим одномерный случай распространения электромагнитной волны в резонаторе, образованном двумя проводящими плоскостями z = z 0 и z = z1 . В этом случае решениеуравнений Максвелла представляет собой суперпозиция волн,распространяющихся навстречу друг другуE y = A e i ( ω t − k z ) + B e i (ω t + k z ) .(16.1)Учитывая граничные условия E y (z = z 0 ) = 0 и E y (z = z1 ) = 0 ,получимA e i (ω t − k z 0 ) + B e i (ω t + k z 0 ) = 0 ,A e i (ω t − k z1 ) + B e i (ω t + k z 1 ) = 0 .Илиe 2 i k (z1 − z 0 ) = 1 .(16.2)Обозначим z1 − z 0 = d . Тогда 2 k d = 2 π p , где р - целое число.Учитывая, что волновое число k = 2 π / λ , получим выражениедля длины волны, которая может распространяться в резонаторе:2dλp =.(16.3)pСоответствующее соотношение для частотpcνp =.(16.4)2dТаким образом, в резонаторе могут существовать только волны,длина волны и частота которых определяется формулами (16.3)и (16.4), то есть резонатор осуществляет квантование частот.Лазерные резонаторы обладают высокой добротностьюQ порядка 10 8 ÷ 10 9 .

Добротность связана с относительной шириной спектральной линии резонатораνpQ=.(16.5)Δν pТаким образом, ширина полосы пропускания резонатораΔν p = ν p / Q мала, и лазерные резонаторы характеризуются139очень высокой избирательностью по частотам (длинам волн)(см. рис. 16.2).wΔ vpvpvp+1vРис. 16.2. Селекция частот в резонаторе Фабри - Перо.Наиболее благоприятные условия для генерации излученияв активной среде возникают, когда резонансная частота испускаемой спектральной линии ν21 и собственная частота резонатора νр совпадают. В этом случае излучается максимальнаямощность.

По мере отклонения излучаемой частоты от νргенерируемая мощность уменьшается и при достаточно большой расстройке может исчезнуть.16.3. Усиливающая среда. Инверсия населенностейВозбужденный атом может испускать квант света при переходе из состояния с энергией E 2 в состояние с меньшей энергией E1 . Энергия испущенного кванта определяется соотношениемh ν 21 = E 2 − E1 .(16.6)При этом возможны два типа излучения:1) спонтанное,2) индуцированное (вынужденное).Спонтанное излучение происходит самопроизвольно впроизвольный момент времени (рис.16.3, б). При этом частотакванта света будет также произвольной (в пределах контураспектральной линии).

Произвольным будет также его направление распространения и фаза. Таким образом, спонтанное излучение является некогерентным и играет роль собственных шу-140мов.Индуцированное (вынужденное) излучение кванта светапроисходит под воздействием падающего на возбужденныйатом внешнего кванта (рис. 16.3, в). При этом испущенныйквант света будет тождественен падающему на атом кванту, тоесть будет иметь ту же частоту, направление распространения иполяризацию.