29

Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковый лазер – устройство, на основе кристаллического полупроводникового материала, генерирующее интенсивный когерентный световой поток в узком диапазоне частот или длин световых волн в определенном направлении при приложении электрического напряжения смещения к его внешним электродам.

Применение лазеров

Наиболее известное применение лазеров осуществляется в оптических системах передачи информации на большие расстояния. Имеется огромное количество других применений лазерных излучающих диодов: в системах записи и считывания информации, хранящихся на CD и CDRW дисках; высокоскоростная печать (лазерные принтеры); локальные сети обмена информацией; доплеровские оптические радары; оптическая обработка сигналов; медицинское, технологическое применение и многие другие практические приложения.

Для высокоскоростных (>100 МБ/с) записывающих систем применяются лазеры с относительно короткой длиной световой волны (<0.75 мкм), в то время как лазеры с световой длиной волны λ=0.98 мкм или даже с λ=1.55 мкм применяются для обеспечения функционирования коммуникационных информационных систем (таб.1).

Таблица 1

Материалы, применяемые для изготовления современных лазеров.

Имеется несколько особенностей полупроводниковых лазеров, отличающих их от лазеров других типов или от светоизлучающих диодов:

• Компактность. Полупроводниковые лазеры изготавливаются на одном чипе. Это позволяет легко встраивать их в различные более сложные конструкции.

• Высокая эффективность (КПД), достигающая 50 %. Это позволяет изготавливать лазеры с низким потреблением электрической энергии по сравнению с другими типами лазеров.

• Непосредственное преобразование электрической мощности в световой поток. Возможность встраивания лазерных конструкций в современные интегральные схемы.

• Возможность непосредственной модуляции светового потока внешним напряжением смещения.

• Малые световые потери в активной области. Возможность функционирования при комнатных и более высоких температурах.

К недостаткам следует отнести крайнюю чувствительность к изменениям температуры, что нежелательно во многих приложениях. Другим недостатком является сильная расходимость светового пучка лазерного диода даже на небольших расстояниях от излучающей свет грани лазерного диода.

Принцип работы

Физика работы полупроводникового лазера базируется на фундаментальных свойствах полупроводников. Генерация света в полупроводниковых лазерах, так же как и в других типах лазерных устройств, осуществляется за счет двух основных механизмов: 1) за счет эффекта усиления интенсивности световой волны в рабочем пространстве лазера; 2) за счет резонансных оптических свойств рабочей полости.

Если первый механизм осуществляется за счет увеличения неравновесных электронно-дырочных пар в выделенной области полупроводникового лазерного диода при приложении к диоду напряжения смещения, то второй механизм связан непосредственно с конструктивными особенностями рабочей области лазера. Механизм генерации световой волны осуществляется в процессе излучательной рекомбинации (стимулированная эмиссия света) избыточных электронов и дырок, при этом длина световой волны определяется энергетическим зазором (шириной запрещенной зоны) полупроводника в выделенной области лазерного диода (рис.1).

рис.1. Схема генерации света в лазерном диоде.

Избыточные электроны и дырки могут возникать посредством инжекции этих носителей заряда в рабочую область диода, т.е. путем прямого электрического смещения гетероперехода (например, как это осуществляется в двойном гетеропереходе n-AlGaAs-GaAs-p-AlGaAs). Сама конструкция двойного гетероперехода, предложенная Ж. И. Алферовым, и технологическое воплощение этой идеи в полупроводниковой структуре (ФТИ, с. Петербург), генерирующим когерентный световой поток при комнатных температурах, было отмечено Нобелевской Премией по физике за 2000 г, что вызвало громадный поток экспериментальных и теоретических работ, посвященных этому вопросу.

Для того чтобы эффективность генерации света была максимальной, активная область полупроводникового лазера должна представлять собой «прямозонный» полупроводник (GaAs). При этом примыкающие к этой области (n, p-AlGaAs) полупроводники имеют ширину запрещенной зоны существенно большую, чем активная область, т.е. лазерная структура представляет собой двойной гетеропереход с потенциальными барьерами, препятствующими уход электронов и дырок из рабочей области, что намного порядков увеличивает эффективность работы полупроводникового лазера, и это позволяет генерировать интенсивные световые потоки при комнатных или более высоких чем комнатная температурах.

Для практической реализации лазера, полупроводниковые области, примыкающие к рабочей области должны обладать показателем преломления меньшим, чем показатель преломления рабочей области. Пример подобной структуры показан на рис.2.

рис.2. Схематическое изображение простой двойной гетероструктуры полупроводникового лазера.

Такая конструкция позволяет удерживать световое излучение в границах активной области генерации света за счет эффекта полного внутреннего отражения в такой структуре, что необходимо для эффективной работы лазера. Если одновременно обеспечить практически полное отражение света от заднего торца лазерного диода, то эффективность генерации света приближается к своему максимальному значению.

Эффективность (КПД) современных лазеров приближается к 50 %, т.е. приблизительно половина затрачиваемой электрической мощности может преобразоваться в световой поток.