Самохвалов М.К. Элементы и устройства оптоэлектроники (2003), страница 6

Зависимость порогового тока от температуры имеет вид: Jпор = J0(T0)*exp(-T/T0), где T0≈ 50 K - при комнатной температуре, T0 ≈ 100 K - при пониженной, близкой ктемпературе жидкого азота. С ростом температуры лазерную генерацию получить сложнее.Временные параметры инжекционных лазеров в режиме переключения определяются большим из двух параметров – времени жизни инжектированных носителей заряда (связанной с вероятностью индуцированных переходов) иливремени жизни фотонов (в общем случае ≤ 10-10-10-11 с).Разновидности и конструкции инжекционных лазеров1. Инжекционные лазеры на основе гомогенных полупроводников имеют несовершенное электронное ограничение, границы электронного и оптическогоограничения в них не определены и меняются при изменении режима накачки.24Все эти несовершенства, проявляющиеся в конечном счете в высоком значенииплотности порогового тока, предопределили бесперспективность лазеров наоднородных полупроводниках.Рис.

10. Энергетическая диаграмма односторонней и двойной гетероструктуры.2. В односторонней гетероструктуре (ОГС) электронное ограничение идеально с одной стороны, с другой – как у гомоперехода. Достоинством ОГС является простота технологии.3. ДГС – двойная (двухсторонняя) гетероструктура – классическая. Достоинства ОГС: малые пороговые плотности тока, большие выходные мощности.4. 4-х, 5-тислойные структуры позволяют реализовать большие возможности: Jпор ≤ 102 А/см2, Рвых ≈ 0,1 Вт. Недостаток: сложнее технология из-за необходимости введения переходных слоев.Существует несколько наиболее распространенных конструктивных решенийизготовления активных областей полупроводниковых инжекционных лазеровна основе гетероструктур.1. Наиболее распространена полосковая геометрия активной области, реализуемая с помощью мезатехнологии.

Применяются также различные планарныеконструкции. Полосковая геометрия наиболее простая, позволяет получить малый объем генерации и малый пороговый ток, эффективные резонаторныесвойства (стабилизация одномодового режима, подавление паразитных поперечных мод), хороший теплоотвод, высокую долговечность и надежность.Рис. 11. Гетеролазеры с полосковой мезаструктурой, с «зарощенной»активной областью и с распределенной обратной связью.2. Гетеролазеры с «зарощенной» активной областью (нитевидная форма активной области) позволяет уменьшить пороговый ток, обеспечить высокую когерентность. Ограничение с боков может осуществляться гетерограницами, ди-25электрическими слоями, ионно-имплантированными карманами.3. Лазеры с распределенной обратной связью (РОС) в активной области.Гофрирование одного эпитаксиального слоя создается химическим вытравливанием с шагом 0,15-0,45 мкм. С помощью такой дифракционной решетки выделяется одна продольная мода и обеспечивается высокая монохроматичностьи когерентность.

Достоинством таких лазеров является частотная избирательность, сужающая спектр генерации до ∆λ/λ ≈ 10-6-10-7. Нет необходимости в резонаторе Фабри-Перо; изменяя шаг решетки, можно внешний луч направитьпод любым углом к внутреннему (до прямого).Достоинства инжекционных лазеров.1. Малые размеры. Теоретически минимальная длина ∼ 10 мкм, площадь поперечного сечения ∼ 1 мкм2.2.

Высокий КПД преобразования энергии накачки в излучение, приближающийся к теоретическому пределу.3. Удобное управление: низкие напряжения и токи возбуждения, совместимые с ИС, возможность изменения мощности излучения (V, J), работа в непрерывном режиме.4. Возможность генерации требуемой спектральной линии (выбор материалас необходимой шириной запрещенной зоны).5. Твердотельная микроэлектронная групповая технология обеспечивает высокую производительность, использование массового производства, низкуюстоимость, долговечность.6.

Совместимость с технологией микроэлектроники открывает принципиальную возможность создания интегрированных лазерных излучателей.Недостатки инжекционных лазеров.1. Невысокая когерентность излучения (по сравнению с газовыми лазерами),большая ширина спектральной линии и угловая расходимость луча.2. Относительно малая генерируемая мощность.3. Уменьшение мощности при повышении температуры и при воздействиирадиации.Газовые лазерыВ газовых лазерах в качестве активной среды используется разреженнаясмесь газов (давление 1-10 мм рт. ст.), обычно включающих инертный газ, в которой создается электрический (тлеющий) разряд.

Активный элемент газовоголазера представляет собой герметизированную трубку (стеклянную, металлическую, металлокерамическую) с прозрачным световыводящим окном в торце. Втрубке имеются элементы для возбуждения газового разряда (наибольшая долговечность и стабильность обеспечивается при использовании холодного алюминиевого катода). Зеркала на торцах трубки заданного размера образуют резонатор.Различают три группы газоразрядных лазеров: 1) лазеры, генерирующие излучение на переходах электронов между уровнями свободных атомов (смесигелия и инертных газов); 2) ионные лазеры, в которых генерация происходит на26переходах между уровнями свободных ионов (инертные газы или смеси гелияили неона с парами металлов Cd, Zn, Se, Te, Hg); 3) молекулярные лазеры, генерирующие на переходах между уровнями молекул (смесь углекислого газа сазотом).Наиболее широко используются He-Ne лазеры.

В качестве рабочего газа используется смесь гелия и неона при давлении p = 1-5 мм рт.ст., причем массовая доля гелия в смеси в 5-10 раз больше, чем неона. Для описания процессоввозбуждения и генерации используется четырехуровневая схема. В рабочейсмеси при зажигании тлеющего газового разряда происходит возбуждение свободными электронами атомов гелия в электрическом поле, энергия которыхпри соударении разнородных атомов передается атомам неона.

В них происходят излучательные переходы с длинами волн 0,633; 1,15; 3,39 мкм (полное число линий около 20). С помощью резонатора выделяется излучение с необходимой длиной волны (обычно 632,8 нм).Особенности газовых лазеров.1. Низкий КПД вследствие неэкономичного возбуждения атомов He (полезноиспользуется не более 5% энергии электронов газовой плазмы).2.

Невысокая мощность излучения.3. Исключительно узкая ширина полосы генерации (в разреженном газе отсутствует взаимодействие излучающих атомов).Параметры типичного He-Ne-лазера с трубкой длиной L ∼30-40 см и диаметром в несколько сантиметров следующие: выходная мощность излучения∼ 1-10 мВт, КПД – 0,1-0,5%, ∆λ/λ - 10-7-10-9 (до 10-12 у отдельных образцов),диаметр луча 0,3-2 мм.Основной недостаток: высокое напряжение возбуждения (∼1 кВ при горениии до 10 кВ при возбуждении разряда); вследствие этого габаритные размеры источника питания в несколько раз больше, чем у активного элемента, а общая ихмасса составляет обычно несколько килограммов. Попытки миниатюризацииэтих лазеров показали, что их длина не может быть намного меньше 10 см, чтообуславливается малым значением коэффициента усиления разреженных газов.Кроме гелий-неоновых лазеров определенный интерес для оптоэлектроникипредставляют также газовые лазеры с аргоновым (λизл = 0,488 и 0,515 мкм), криптоновым (λизл = 0,568 мкм) и гелий-кадмиевым (λизл = 0,442 мкм) наполнением,однако они отличаются еще большей громоздкостью и высокой стоимостью.К газовым относятся также эксимерные, электроионизационные и химические лазеры, применяемые сравнительно редко.Твердотельные лазерыК этой группе относятся лазеры, активной средой которых являются твердотельные диэлектрики (кристаллические или аморфные), легированные активаторами (3d, 4f, 5f элементами).

С точки зрения оптических, физико-химических,механических и технологических свойств оптимальной совокупностью пара-27метров обладают следующие активные среды: Al2O3 : Cr3+ (рубин), CaF2 : Nd3+,стекло с неодимом и др.Для целей оптоэлектроники наибольший интерес представляют лазеры накристаллах иттрий-алюминиевого граната, легированного неодимом (ИАГ: Nd– Y3Al5O12 : Nd3+). Ионы Nd3+ замещают в решетке часть атомов Y (1-3%). Основа - активный элемент - представляет собой стержень ИАГ длиной 10 см сзеркалами на торцах и расположенная параллельно ему дуговая криптоноваялампа такой же стержневидной формы (оптическая накачка).

Два элемента помещают внутрь светособирающей системы. Основная длина волны излучения λ= 1,06 мкм. Достоинствами этих лазеров являются: высокая прочность, теплопроводность, температурная и радиационная стабильность, однородность, высокий коэффициент усиления (по сравнению с лазерами на рубине и неодимовом стекле).По сравнению с газовыми для твердотельных лазеров на порядок выше КПД(из-за большей эффективности оптической накачки), существенно больше выходная мощность (1 Вт и более), хуже когерентность: ∆λ/λ ≈ 10-4÷10-5.Миниатюризация твердотельных лазеров основывается на двух конструктивных усовершенствованиях.

Во-первых, это замена криптоновой лампы GaAlAs–светодиодом (или линейкой светодиодов), согласованным с основной полосойпоглощения активатора (λ ≈ 0,81 мкм для Nd3+). Габаритные размеры лазера могут быть уменьшены до 10 мм, но при этом выходная мощность уменьшается иугловая расходимость луча увеличивается. Во-вторых, замена активного вещества: тетрафосфат лития-неодима NdxLi1-x(PO3)4, пентафосфат неодима-лантанаNdxLa1-xP5O14, гексаалюминат лантана-неодима-магния La1-xNdxMgAl11O19 сбольшей концентрацией ионов неодима, чем в алюмоиттриевом гранате.

Концентрация ионов Nd увеличивается в 30-40 раз, длина стержня может бытьуменьшена до 1 мм, пороговая мощность накачки уменьшается до 1 мВт и менее.Перспективными для применения в волоконно-оптических линиях связи считаются волоконные лазеры – твердотельные лазеры с оптической накачкой, активным элементом в которых является волоконный световод с добавками встеклянной сердцевине активирующих примесей, в основном ионов неодима иэрбия, обеспечивающих лазерную генерацию. Эрбиевые волоконные лазерыгенерируют излучение в спектральной области 1,53 – 1,62 мкм. Эти лазеры накачиваются полупроводниковыми лазерными диодами и представляют собойэффективный и стабильный источник когерентного оптического излучения длясистем со спектральным уплотнением каналов.Полупроводниковые лазеры с электронным возбуждениемВ полупроводниковых лазерах с электронным возбуждением инверсия населенностей создается при воздействии потока электронов с высокой энергией(20-200 кэВ).