Айхлер Ю., Айхлер Г.-И. Лазеры. Исполнение, управление, применение (2008) (1095903), страница 43
Текст из файла (страница 43)
(!0 7) Я а ь ° к 2 ~т т)- д 2т р Г Здесь т есть приведенная эффективная масса электронно-дырочной пары, а Е = Š— Š— межзонный интервал. к р Путем решения уравнения (10.7) после вычисления /ь и соответствующего дифференцирования имеем: дд.д. П д д д д д д 2«2дддд причем Г и Р' есть энергия Ферми в зоне проводимости и, соответственно, в валентной зоне (рис. 10. 19). По причине инжекции носителей заряда величины энергии Ферми у электронов в зоне проводимости Г и у дырок в валентной зоне Гв более не совпадают.
Поэтому распределения)' иу" называют также «квазираспределениями Ферми». Частотная зависимость усиления Согласно уравнениям (10.б) и (10.7) энергии электронов Еа и ЕЬ можно выразить через частоту излучения: Е, — Г, = ()(7'- Е, ) — "+ Е, — Г,' Е, — Е = — (Ь| — Е,) —" ь Г, — Г„. (10.13) Отсюда (а также из уравнений 10 1О и ! 0 11) вытекает, что разность распределений Ферми Рс — 6 в уравнении (10.9) сокращается монотонно с частотой. В отличие от этого, функция ()) — Е )и монотонно возрастает выше частоты Е/ Г, соответствующей межзонному интервалу.
При этом и показатель усиления 8 сначала увеличивается с частотой, достигает максимума, после чего вновь понижается в силу экспоненциального уменьшения распределения Ферми. Такая характеристика представлена на рис. 10.20 для специального лазерного усилителя. Параметром является при этом ток возбуждения 1, который генерирует пропорциональную плотность электронов, поднимая тем самым уровень Ферми Р. Рис.
10.21 показывает насыщение усиления, то есть уменыпение д в зависимости от входной мощности, 25 20 э 15 10 1,500 1,540 1,580 Длина волны К мкм, лдА = мА Внс. 10.20. Принцип действия специального усилителя полупроводникового лазера 8(А (Удд48-2-72-9) фирмы «Сименс» прн ннжекцнонном токе 40, 60, 80 мА н Т = 20 'С. Для определения внутреннего усиления кристалла нано принять во внимание 3 лБ на входе н выходе, в результате чего прн 80 мА получается максимальное усиление кристалла порядка 22 АБ (по данным Дица, НН1 Берлин) 1ч 202 Глава Л2 Лолупроводниковые лазеры 20 15 и 10 з 5 Д 0 -5 -40 -30 -20 -10 0 10 Входная мощность, дбм Рис. 1021. Усиление в зависимости от входной мощности при 1 = 1555 им, иниекцнонном токе 1 = 80 мА н 1' = 20 'С, причем 0 двм соответствует мощности 1 мят (Конструкционный элемент — как на рис.
1О. 20) На основе приведенных выше уравнений можно приближенно вычислить показатель усиления я, иодля получения точного соответствия с экспериментальным значением по рис. 10.20 и 10.21 должны быть учтены еще дополнительные факторы — например, электрическое взаимодействие между носителями заряда.
Конструктивное исполнение диодных лазеров с подстраиваейвой частотой В целях подстройки частоты излучения диодных лазеров вместо резонатора, образуемого кристаллическими поверхностями, используются внешние резонаторы, проводящие частотную селекцию. В простейшем варианте для этой цели привлекаются коллимационная оптика и решетка (рис. 10.22). Дополнительно необходимо уменьшить отражение от стороны лазерного диода, обращенной к внешнему отверстию обратной связи. Решетка располагается с таким расчетом, чтобы дифракция первого порядка имела обратное отражение в диод.
Частота света обратной связи зависит от угла поворота решетки, то есть при повороте решетки изменяется частота лазерного излучения. Возможный диапазон подстройки частоты определяется шириной спектра усиления лазерного диода. Спектральная ширина излучаемого света зависит от длины резонатора и разрешающей способности решетки. Рис. 10.22. Полупроводниковый диодный лазер в схеме Литтровв Лазер На рис. 10.22 показан диодный лазер с подстройкой частоты, представленный в схеме Литтрова. При этом выход лазерного пучка реализуется на основе отраженного от решетки света. Такая схема Литтрова не страдает тем недостатком, что при повороте решетки меняется и направление выходящего пучка грие. 10.23).
В ней предусмотрено дополнительное зеркало, которое первый порядок дифракции решетки через другую дифракцию на решетке отражает обратно в лазерный диод. Частотная селекция осу- дд.б. Д д д *д д д д ... 20~3~ шествляется здесь на основе вращения зеркала, так что направление нулевого порядка дифракции на решетке в качестве выходящего пучка не подвержено изменению. Однако максимальная выходная моШность при данной конструкции меньше, чем в схеме Литгроаа, поскольку многократные отражения вызывают повышенные потери, Рдс.
10.23. Полупроводниковый днодный лазер в схеме Лнтгрова Решетка Перестраиваемые лазеры 0РВ и ОВй При диапазоне перестройки в несколько нанометров используются лазеры РГВ (с обратной связью) или лазеры РВК (с рефлектором Брэгга, как на рис. 10.10). Длина волны может варьироваться посредством тока, как показано на рис. 10.24, где отчетливо видно скачкообразное изменение моды.
Перестройка возможна и на основе изменения температуры. 944.0 943.0 а к 942.0 й ка 941.0 940.0 0 100 200 300 400 500 600 700 Ток, мд Рнс. 10.24. Зависимость длин волн от тока у лазерного диода Рг В. Примерно прн ! 50 мА происходит скачок моды (1204 Г дд.а г~ д р 10.6. Диодные лазеры с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (ЧС5ЕЦ ЧСБЕЬ (англ. Чег!1са! Сая!1у Бцг(асе Еш!!1!па Ьазег) — это лазер с вертикальным расположением резонатора на кристалле и с выходом из него света перпендикулярно поверхности кристалла.
В отличие от такого исполнения, у традиционных полупроводниковых лазеров свет усиливается в направлении плоскости слоя и излучается с бокового края структуры, в связи с чем их часто называют краевыми змиттерами. Лазеры ЧСБЕЬ состоят из тонкого слоя активной среды между двумя зеркалами. Поскольку тонкая активная зона дает лишь незначительное усиление на проход, зеркала с высоким уровнем отражения должны обеспечивать превышение порога лазерного излучения.
Вся структура лазера ЧС БЕ Ь э пита копал ьно ориентируется в вертикальном направлении (рис. 10.25). Начинать надо, например, с нанесения легированных примесями и-типа А1А8-ОаА5-/с/4-слоев отражателя Брзгга, которые действуют как диэлектрическое многослойное зеркало и достигают отражения выше 99 %. Активная зона состоит либо из единого нелегированного слоя 1пОВА5, либо из нескольких нелегированных потенциальных барьеров 1пОаАВ в ОаАВ.
Самый верхний слой включает в себя легированные примесями р-типа А(АВ-ОВАВ-слои отражателя Брзгга. Отдельный лазер обладает диаметром от 0 5 мкм до более чем 30 мкм и высотой в несколько микрометров. ЧСБЕЬ способен излучать как направленно вверх («Тор Епппег»), так и направленно вниз (4Вопогл Епппег») — через подложку, прозрачную при длинах волн 900-1000 нм. Набольшее распространение имеют так называемые «лазеры верхнего света», Х/2 1т-баАз 2/4 р-А!Аз М р-баАз 2/4 р-А!Аз Верхний отражатель Брэгга с 22 периодами Резонатор, эталон (вынесенный элемент) 80 нм р-А1баА» 50 им А1бадз 10 нм баАз 10 нм баАз 50 нм А1баАз 80 нм р-А1баАз 74 р-баАз 2/4 р-А1дзАктивная зона, потенциальный барьер 8 нм,1пбаАз м 1т баА5 2/4 р-А!Аз Резонатор, эталон Нижний отражатель Брэгга с 28 периодам Х/4 р-А1Ат М р-баАз Х/4 р-А!Аз Рнс. 18.25.
Примерная конструкция лазера ЧСЯЕЬ. Слои за пределами активной зоны в резонаторе служат для согласования длины резонатора и длины волны После нанесения отдельных слоев, что осуществляется, например, способом М ВЕ (англ. Мо!есц1аг Веагл Ерйаху — эпитаксия молекулярного пучка), полученные конструкции структурируются на специальном оборудовании (см. рис. 10.26). Для Гд.б.з д д д д д Р 2»Д этой цели привлекаются фотолитографические процессы, методы мокрого химического травления, имплантация протонов, а иногда и целесообразное сочетание этих способов.
При этом получаются так называемые меза-ЧС3ЕŠ— как результат удаления верхних слоев. При целенаправленной бомбардировке протонами возникают дефекты в кристаллической решетке, снижающие ее электропроводность. Тем самым достигается концентрация тока вокруг не имеющей дефектов активной зоны. б) а) Свет Й тель Брзгга ая зона й атель Бра гга ка ПП зона высокого оми нес кого сопротивления с имплантачией протонов ~ окисленный слой после травления Рле.
10.26. Две часто используемые структуры ЧСБЕ1. в поперечном разрезе. (в) Меза- структура лазера с верхним излучением. )б) Лазер с поверхностным излучением Из-за короткой длины резонатора лазеры ЧС БЕ 1. излучают только в продольной частоте (рис. 10.27). При малом диаметре возможна и генерация на поперечной основной моде. Подобные устройства удобно размещаются в двухмерной матрице. Являясь поверхностными эмиттерами, ЧСВЕЕ еще до монтажа могут быть подвернуты соответствующему тестированию, что позволяет значительно сократить производственные затраты — по сравнению, например, с краевыми эмитгерами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
