Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники (1990) (1151950), страница 54
Текст из файла (страница 54)
Если концентрации примесей примерно одинаковы на обеих сторонах р — п-перехода, то инжекционный ток будет существовать за счет 23Б йуз г-: овик дм а) Рес. ЗЛЗ. Лазерные кеокы с оакнареой (а) я кеойаой (о) гетероструктурой электронов, инжектируемых в слой р-типа, поскольку эффективная цйсса электронов почти на порядок меньше эффективной массы дырок. Поэтому слой с инверсной населенностью будет находиться в р-баАз, толщина которого соизмерима с длиной диффузии инжектируемых электронов. Таким образом, область инверсии населенности ограничена толщиной, где в основном и происходит рекомбинации электронов с последующим излучением.
В ОГ-лазере оптическое ограничение происходит с одной стороны, отсюда желаемый результат, т. е. повышение эффективности работы гетеролазера, реализуется частично, а поэтому у ОГ-лазера значение порогочого тока выше, чем у лазера с двойной гетероструктурой (рис. 8.15, б). Поскольку удалось уменьшить значение порогового тока у ОГ-лазера, это дало возможность использовать его работу при комнатной температуре, но только в импульсном режиме накачки. В непрерывном режиме накачки при комнатной температуре работают лазеры с двойной гетероструктурой (ДГ). Профиль показателя преломления ДГ-лазера в направлении, перпендикулярном к Р— и-переходу, показан на рис.
8.15, б. Толщина активного слоя составляет менее 1 мкм. Прн этом по всему слою создаегся инверсная населенность. Если в ОГ-лазерах толщина активного слоя соизмерима с длиной диффузии иижектируемого электрона, то в ДГ-лазерах толщина меньше этой длины. Кроме того, в ДГ-лазерах обеспечивается оптическое ограничение с двух сторон активной зоны. Зтн обстоятельства приводят к тому, что ДГ-лазеры являются высокоэффективными приборами и характеризуются минимальным пороговым током, что позволяет осуществлять непрерывную накачку электрическим током при комнатной температуре, В предыдущем параграфе отмечалось, что ограничение оптического слоя в области р — а-нерехода благоприятно влияет на пороговую плотность тока 7„, мощность излучения Р,о, н эффективность лазерного диода зт, Эти параметры можно рассчитать, используя формулы (8.15), (8.17) и (8.18).
Необходимо только для каждого конкретного случая знать отношение д/О. Нахождение этого отношения при условии двухстороннего ограничения оптического поля представляет собой сложную задачу, решение 237 аУд которой не может быть йд получено однозначно, поскольку необходимо решать волновые уравнения дб -д б1 с соответствующими град,» д,У дй 1 ~ ничными условиями. Су- — 1-- - ществует приближенное д'Г дз полуэмпирическое вырадз жение для определения отношения с)/су, которое ду д» дд дд ~д тР й» Н,балл справедливо для трехслойРвс. ВЛЕ. Зависимость Фактора агракв- ной симметричной струкчениа а/сз от толщины активною слов Ф туры из /дан „А)„йз в симметричной структуре из Сао „1 А!„Ач О А О А1 А а з — ао ~ „.
з малой толщины с). Показано, что с) ( 0,07Х,/х' т, где х — часть атомов А1 в ограничивающих слоях. Отношение 4):у (его еще называют ограничивающим фактором) дается выражением в,н О д/сУ ж ) Евое та с)х ) Ев~е вт с)х, о о где Е, — максимальная амплитуда поля; у — величина, определяемая нз формулы у ж [Я вЂ” и,') йвс)1/2, где а, и лс — показатели преломления в активном и ограничивающих слоях соответственно; й = 2тс/Х вЂ” волновое число. Значения фактора ограничения для трехслойной симметричной структуры Оа, вА1„Аз— ЙаАз приведены на рис, 8.16 для различных значений с) и к.
Из рисунка видно, что полного ограничения можно достичь в активной области толщиной 0,4 мкм при составе атомов А!, равном 0,6. Для улучшения выходных характеристик гетерослрухтурного лазера в пропессе получения гетероструктуры создают условия, обеспечивающие ограничение носителей заряда в активной области. Для Лб,.д,д»зд структуры, изображенной иа рис. 8.15, б, диаграмма энергетических зон приведена на рнс. 8.17. Изза того, что ширина заласти с увеличенной конпентрацией атомов А1, возникают смещения В зо- рнс. з.! у- днатра"ма онер"етичес"их вон + гетерострувтурного лазера с авояноя гетероие пРовоДимости иа Р— Р'- „у а „н р р,б„„,н,, переходе (ЛЕ,) и в валент- внешнего иаораження 233 ной зоне на л — р- я л' — л-переходах (бЕ,), Когда к такой структуре прикладывается прямое напряжение смещения, электроны иижектируются из л - в р-область. Скачок зоны проводимости на р — р'-границе раздела иа ЬЕ, обеспечивает энергетический барьер для инжектируемых электронов, производя тем самым ограничение их в р-области и увеличивая вероятность их рекомбинации с дырками.
Скачок валентной зоны на л — р-переходе АЕ, повышает уже существующий потенциальный барьер, препятствующий инжекцин дырок в л-область, улучшая тем самым инжекционную эффективность. Таким образом, у двойной гетероструктуры имеет место тенденция ограничения как основных, так и инжектируемых яеосновных носителей в активной зоне. Это обеспечивает хорошие условия для получения более эффективной инверсной населенности. Значит, ДГ-лазеры обеспечивают более высокие выходные характеристики по сравнению с ОГ-лазерами, и тем более по сравнению с гомопереходными лазерами.
Сравнение технических характеристик этих лазеров показывает, что если у гомоструктурного лазера пороговая плотность тока равна 10' А/см' при квантовой эффективности 1ОЪ~, то у ОГ-лазера пороговая плотность тока равна 10' А/см', а квантовая эффективность доходит до 409~~. Этн лазеры, как отмечалось выше, работают только в импульсном режиме. У ДГ-лазеров пороговая плотность тока равна 700 †8 А/см', а квантовая эффективность составляет 55% . Эти лазеры работают в непрерывном режиме. Однако ДГ-лазеры отличаются тем недостатком, что у них большая угловая расходимость луча (20 40) в плоскости, перпендикулярной к плоскости перехода, из-за дифракции света в тонком активном слое, в то время как у гомоструктурных н ОГ-лазеров угловая расходимосгь составляет 15 — 20'. У всех рассмотренных вьппе типов лазеров угловая ьоасходимость луча в плоскости перехода составляет ие более 10 .
5.5. ЛАЗЕРЫ С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБРАТНОЙ СБЯББК1 Описанные в предыдущих параграфах полупроводниковые лазеры имеют оптический резонатор, представляющий собой отражающие зеркала в виде торцовых граней кристалла. В связи с бурным развитием интегральной оптики уже в настоящее время создаются оптические интегральные схемы (ОИС), аналогичные электронным интегральным схемам. Разница состоит в том, что в ОИС оптический сигнал распространяется по световодам, управляется с помощью модуляторов, фиксируется фотоприемниками.
В ОИС лазерные диоды монолитно объединены в полупроводниковой иластнне с другими оптическими элементами н поэтому трудно сформировать отражающие горцы излучающего кристалла. Существует иное решение этой проблемы — использование распределенной обратной связи на дифракционной решетке бреггов- 239 Юялм Рвс. ВЛВ. Сечевое овтвчесвв яааачвеаевого лазера с расвреяелеввоа 5вмв оаратвоа саяеаю ского типа. Такая решетка создается путем гофрнровання поверхности раздела между полулроводниковыми слоями, образующими лазерную структуру (рис.
8.18). Гофр обеспечивает отражение светового потока на угол !80' лишь на вполне определенных для* нах волн в зависимости от периода дифракпиоиной решетки. Условие Брегга для структуры, приведенной на рис. 8.18, можно представить в виде 27 = пе (Х,/пл), т = 1, 2, 3, .", (8,19) где 7 — период гофра; Хе — длина волны в вакууме; я — аффективный показатель преломления для рассматриваемого волнового поля.
Условие (8.! 9) позво.тает определить отражение под углом 180' оптической волны, распространяющейся з непосредственной близости к решетке. Надо иметь в вяду, что волны распространяются в области с инверсной населенностью и распределенная обратная связь приводит к генерации. Следует отметить, что в настоящее время достаточно хорошо отработаны технологические приемы получения периодической структуры лазеров с распределенной обратной связью. Приемы состоят в маскирования с последующим травлением поверхности волновода либо химическим способом, либо ионно-лучевым распылением. При выполнении условия (8,19) длина волны в вакууме может быть определена по формуле Хе = 27лв/пе.
Решетка способна отражать на многих продольных модах, соответствующих различным числам гл. Однако внутри полосы излучения лазера лежит, как правило, одна мода. РЕНТГЕНОВСКИЕ, ГАММА-ЛАЗЕРЫ Г л и в а 9 И ЛАЗЕРЫ НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ Создание лазеров, позволяющих получить когерентиое рентгеновское и гамма-излучение, представляет собой проблему, над решением которой работают ученые вот уже более пятнадцати лет.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
