лабораторная_диодный лазер (1239142), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Это означает, чтоконцентрации доноров и акцепторов здесь настолько велики, что уровниФерми попадают в валентную зону для p типа и в зону проводимости дляn типа.Когда переходсформирован,анапряжение смещения еще не приложено,структураэнергетических зонбудет иметь вид, какпоказано на Рис. 3а,где оба уровня ФерРис.
3 Зонная диаграмма p-n перехода в отсутми имеют одинакоствие напряжения смещения (а), при прямом направвы энергии, т.е. лелении (б)жат на одной горизонтальной оси. Когда прикладывается прямое напряжение смещения V,два уровня Ферми становятся разделенными промежутком ∆E=eV, см.Рис.
3б. Из этого рисунка видно, что в области перехода электроны инжектированы в зону проводимости (из n типа), в то время как дырки инжектированы в валентную зону (из p области). Таким образом, при подходящем значении плотности тока может быть достигнуто пороговое условие генерации.Одно из главных ограничений для таких устройств обусловленоочень маленьким потенциальным барьером, который встречается на путиэлектрона зона проводимости, когда последний достигает области p типав переходе.
После чего данный электрон может проникнуть в материал pтипа, где он становится неосновным носителем, рекомбинируя с дыркой.Глубина проникновения электрона d, согласно теории диффузии, дается11выражением d=√Dτ , где D – коэффициент диффузии и τ – среднее времяжизни до рекомбинации. Для материала GaAs имеем D=10 см2/с и τ=3 нс,так что глубина d составляет примерно 1 мкм, а это означает, что активнаяобласть является достаточно толстой и ограничена скорее длиной диффузии, чем толщиной обедненного слоя (~0,1 мкм).Рис. 4 Стандартный полупроводниковый лазер на гомопереходеТипичная конфигурация лазера на p-n-переходе показана на Рис. 4,где заштрихованная область соответствует активной области.
Из рисункавидно, что размеры диода очень малы (несколько сотен микрон). Чтобыобеспечить обратную связь в резонаторе, необходимую для лазерной генерации, торцы полупроводникового кристалла изготавливаются параллельными друг другу, обычно это осуществляется скалыванием вдольплоскостей кристалла. Зачастую на торцы полупроводникового кристаллане наносятся какие-либо отражающие покрытия, поскольку показательпреломления очень велик (например n=3.6 для GaAs) и на границе разделаполупроводник-воздух, вследствие френелевского отражения (~32% дляGaAs). Как уже отмечалось выше, толщина активной области в направлении, перпендикулярном p-n-переходу, составляет ≈ 1 мкм.
Тем не менее,из-за дифракции излучения поперечный размер лазерного пучка в этомнаправлении оказывается значительно больше, чем сама активная область(≈ 5 мкм).При комнатной температуре лазеры на гомопереходах обладаюточень большой пороговой плотностью тока (Jth ≈ 105 A/cм2), котораяпрепятствует получению непрерывного режима генерации лазеры притаких температурных условиях (без разрушения кристалла за очень короткое время). Столь высокое пороговое значение обусловлено двумя основными причинами:Толщина активной области (d ≈ 1 мкм) весьма велика, и пороговыйток, будучи пропорциональным объему активной среды, пропорционалени ее толщине.Лазерный пучок, обладая сравнительно большим поперечным раз12мером, проникает в p-n- область достаточно глубоко, где он претерпеваетсильное поглощение.В силу этих причин лазеры на гомопереходах могут работать в непрерывном режиме только при криогенных температурах (обычно притемпературе жидкого азота 77К).5.
Лазеры на двойном гетеропереходе.Ограничения, описанные в предыдущем разделе, сдерживалиширокое применение полупроводниковых приборов до тех пор, пока небыли предложены вначале лазеры на одинарных гетеропереходах, а вскоре после этого – лазеры на двойных гетеропереходах (ДГ-лазеры). В данном разделе наше внимание будет обращено на последний тип лазеров,поскольку именно они наиболее широко используются в наши дни.Рис. 5 Схематическое представление двойной гетероструктуры, в которойактивная среда (заштрихованная область) состоит из материала GaAs (а) или InGaAsP (б)На Рис.
Приведены два примера лазера на двойном гетеропереходе, где активная среда представляет собой тонкий слой (0,1-0,2) мкм материала GaAs или четверного сплава InGaAsP. Для обоих обсуждаемыхслучаев p- и n- области выполнены из материалов Al0,3Ga0,7As и InP соответственно. При оптимизации пороговая плотность тока при комнатнойтемпературе в такой диодной структуре может быть уменьшена практически на два порядка (т.е. до 103 A/cм2), что позволяет без труда осуществить непрерывную генерацию при комнатной температуре. Значительное уменьшение пороговой плотности тока происходит благодаря совместному действию трех следующих факторов:131. Показатель преломления активного слоя n1 (например, n1 = 3.6для GaAs) значительно больше, чем показатель преломления n2 внешнихслоев p- и n- типа (n2 =3,4 для Al0,3Ga0,7As), что приводит к образованиюоптическойволноводной структуры (Рис.
6а).Это означает, что теперь лазерныйпучок будет сосредоточен главнымобразом в активном слое GaAs, т.е.в области, в которой имеется локализация фотонов (Рис. 6б).2. Ширина запрещенной зоны Eg1 активной области (напримерEg1 ≈ 1,5 эВ в GaAs) значительноменьше ширины запрещенной зонывнешних слов Eg2 (Eg2 ≈ 1,8 эВ дляAl0,3Ga0,7As). Поэтому на обоихпереходах образуются энергетические барьеры, которые эффективноинжектированные электроны идырки в активном слое (локализация носителей, Рис.
7в). Таким образом, для данной плотности токаконцентрация дырок и электроновв активной области увеличиваетсяи, как следствие, возрастает усиление.3. Поскольку Eg2 значительРис. 6 (а) Профиль показателяно больше, чем Eg1, краевые облапреломления (б) поперечное сечениести лазерного пучка с частотой ν ≈пучка (в) зонная структура (схематичEg1 / h значительно меньше поглоно) полупроводникового лазера надвойном гетеропереходещаются во внешних слоях, и потери в данном случае обусловленытолько свободными носителями.6. Свойства лазерных диодовТеперь можем рассмотреть некоторые свойства выходного пучка, аименно: выходную мощность, расходимость пучка и его спектральныйсостав.
На Рис. 7 Представлен график зависимости выходной мощностиот тока накачки при различных значениях температуры.143010302551.869.6P, mW20151050020406080I, mAРис. 7 Ватт-амперные характеристики диодного лазера при различныхтемпературах активной областиИз Рис. Видно, что величина порогового тока Ith резко возрастает сростом температуры. Эмпирически было показано, что для большинствалазерных диодов эта зависимость подчиняется закону(),где– характерная температура, зависящая от параметров того или иного лазерного диода, и значение которой является мерой качества диода.Чем больше параметр , тем в меньшей степени величиначувствительна к температуре. Для случая, изображенного на Рис.
8,.Рис. 8 Зависимость порогового тока от температуры15Для описания зависимости выходной световой мощности излучения Р от тока накачки I пользуются понятием дифференциальной квантовой эффективности, определяемой как(11).Здесь– число фотонов, возникающих в результате стимулированного излучения;– число электронно-дырочных пар, инжектированных в активный слой.Ясно, что предельное значение равно 100%, т.е. когда в каждом рекомбинационном акте рождается один стимулированный фотон. Последостижения порога генерации мощность излучения диодного лазераначинает линейно расти с током, и величинаопределяется как волноводами, так и энергетическими характеристиками активного слоя. Длягомолазеров величинанизка (≈ 10%); для ИПЛ–ОГС значительно выше (≈60%), в ИПЛ–ДГС величинадостигает 80-90%.
Следовательно, в настоящий момент полупроводниковые лазеры являютсянаиболее эффективными из всех известных типов лазеров.Нетрудно показать, что(12).Здесь– ширина запрещенной, – заряд электрона. Таким обрападает с увеличением температуры кристалла.На Рис. 9 Представлен типичный спектр излучения диодного лазера, в котором оптическая обратная связь обеспечивается за счет отражения на торцевых зеркалах. Равноудаленные пики на графиках соответствуют различным продольным модам резонатора Фабри-Перо.
Из этогорисунка можно сделать 2 вывода:1. Относительная спектральная ширина достаточно мала( ⁄).2. Абсолютное значение ширины линии400 ГГц оказываетсядостаточно большим, что является серьезной проблемой, в частности, вустройстве оптической связи вследствие хроматической дисперсии оптического волокна. Чтобы обеспечить много меньшую ширину линии можно использовать лазер с распределённой обратной связью.зом,16Рис.
9 Спектр излучения диодного лазера7. Лазер с распределенной обратной связью.Лазер с распределенной обратной связью (РОС-лазер) состоит изактивной среды, в которой в одном из внешних слоев, образующем частьгетероструктуры, выполнена структура с периодически меняющейся толщиной (структура с гофрированной поверхностью). Схематический примерРОС-лазера, работающего на длине волны 1550 нм,приведен на Рис. 10, где активный слой из материала InGaAsP (1550 нм) расположенмежду двумя внешними слоями InGaAsP (1300 нм), причем один слоев выполнен ввиде гофрированной структуРис. 10 Схема РОС-лазерары.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
