Расходимость светового потока

Световой луч, выходящий из лазерного окна, имеет расходящийся характер в процессе его распространения вне лазерного диода вследствие дифракции света на плоскости грани, ограничивающей активную область. Если принять, что окно лазера представляет собой прямоугольник с размерами H и W, где H – ширина окна, W – длина окна, то углы расхождения могут быть оценены из следующих соотношений:

(34)

.

рис.8. Характер расходимости светового луча на выходе лазерного диода.

рис.9. Угловая зависимость интенсивности в вертикальном а) и горизонтальном б) направлениях эллипса расходимости светового пучка.

Из (34) следует, что чем меньше величины H и W, тем больше угол пространственного расхождения светового луча. Например, пусть λ=0.85 мкм, длина окна W равна 10 мкм, H=2 мкм. В этом случае углы расхождения светового луча составляют: Θ_II=10 град., а Θ_┴ =45 град. Чем меньше размеры выходного окна, тем больший угол расходимости светового луча будет иметь место (рис.8).

Соответственно, в каждом сечении светового пучка имеется эллипс распространения света, а распределение интенсивности света по сечению эллипса можно описать как гауссовское распределение с максимумом интенсивности в центре эллипса (рис.9).

Температурные характеристики

Увеличение температуры лазерного диода отражается негативным образом на выходных характеристиках. Неизбежные потери, связанные с безизлучательными рекомбинационными процессами в объеме лазерного диода, в конечном итоге, приводят к разогреву лазерной структуры. Это, в свою очередь, приводит к ухудшению выходных световых характеристик лазерного диода.

Для эффективного практического применения лазерных структур необходимо обеспечить их работу при минимальных значениях порогового тока. Если учесть, что в выражении (33) плотность тока экспоненциально зависит от приложенного напряжения , то его можно переписать в виде:

, (35)

где V – приложенное к диоду напряжение смещения, а m – фактор, учитывающий неидеальность вольтамперной характеристики лазерного диода. Наличие абсолютной температуры в знаменателе делает зависимость (35) чрезвычайно чувствительной к изменениям температурного режима работы. Увеличение температуры приводит к уменьшению выходной мощности P лазерного диода. Эта зависимость не является неожиданной. Любое полупроводниковое устройство подвержено этой закономерности.

рис.10. Выходные характеристики лазерного диода при различных температурах.

Дифференцируя (35) по температуре (при условии, что все остальные параметры от температуры не зависят), имеем:

. (36)

При увеличении температуры температурная чувствительность выходной мощности при изменении уменьшается обратно квадрату абсолютной температуры лазерного диода и увеличивается прямо пропорционально выходной световой мощности лазера.

Конструкции лазерных диодов

Большинство современных полупроводниковых лазеров представляют из себя слоистые полупроводниковые структуры, где электрический ток, преобразующийся в световое излучение инжектируется только в очень узкую область между двумя распределенными контактами, толщина которой составляет только несколько мкм для того, чтобы низкий пороговый ток. Одновременно такая структура обеспечивает контроль распределения светового поля в активной области полупроводникового лазера. Пороговый ток лазера уменьшается примерно пропорционально площади инжектирующего контакта как это показано на рис.11. Активная область является плоской и распространяется на всю площадь лазера. При этом генерация света происходит только малой ограниченной области лазера, только в той области, где плотность протекающего тока превышает пороговую. Таким образом, происходит боковое ограничение области генерации. Ограничение распространения света в вертикальных направлениях обеспечивается применением AlGaAs слоев с показателем преломления меньшим, чем у полупроводника активной области (GaAs).

рис.11. Полосковая конструкция лазерного диода.

рис.12. Конструкция лазера с ограниченной областью генерации, сформированной посредством полупроводников с меньшим показателем преломления.

Контроль продольной моды в активной области можно осуществлять, окружая область полупроводником с более низким показателем преломления, чем полупроводник активной области (рис.12).

Чтобы сформировать полоску активной области с малым поперечным сечением сначала формируется планарная лазерная структура (рис.11). С использованием методов фотолитографии с последующим травлением боковых областей на необходимую глубину формируется меза-структура с заданной шириной активной области. После этого проводится процесс второй эпитаксии, в результате которого вся активная область лазерного диода окружена монокристаллическими слоями AlGaAs с показателем преломления материала меньшим, чем материал активной области. Если вновь сформированные слои одновременно с проведением процесса эпитаксии легировать соответствующими примесями, чтобы сформировать p-n переход, обратно смещенный при нормальном смещении лазерного диода в процессе генерации света, то такая структура будет ограничивать площадь протекания электрического тока площадью активной области. При этом сама площадь полоски активной области может меняться в соответствии с возможностями фотолитографического процесса (рис.12).

Активная область в обоих случаях является протяженной по всей длине диода и ограничена с боковых сторон. Генерация света осуществляется только в ограниченной области ниже полоски инжектирующего контакта (рис.11, 12). В этом случае ограничение тока служит нескольким целям:

• для обеспечения работы лазера с относительно низкими пороговыми токами (10 – 100 мА)

• это позволяет генерировать только фундаментальную моду вдоль перехода, что необходимо для применения, когда выходящий световой поток нужно сопрягать с одномодовым оптическим волокном.

• в этом случае требования теплового контроля достаточно низки.

Такая конструкция позволяет получить выходной световой пучок с гораздо лучшими световыми показателями, но, как это показано во многих работах, выходная мощность ограничивается несколькими сотнями милливатт. Другой важной чертой такого лазерного диода является высокая однородность плотности электрического тока, протекающего через структуру.

рис.13. Структуры заглубленных лазерных диодов со скрытой активной областью.

Лазерные структуры с заглубленной активной областью обладают еще более лучшими эксплуатационными характеристиками, чем рассмотренные выше. Изготовление этих структур технологически более сложно. В этом случае необходимо применять двойное эпитаксиальное наращивание слоев. Существует много разновидностей лазерных структур такого типа. Некоторые варианты реализации подобных схем показаны на рис.13.

рис.14. Полупроводниковый лазер со встроенной решеткой Брегга и дополнительным электрооптическим модулятором.

Стандартный лазер с использованием резонатора типа Фабри-Перро обладает сравнительно низкой селективностью по отношению к числу генерируемых световых мод в силу большой протяженности активной области по сравнению с выходными размерами светового пучка. Уменьшение длины области не является практичным способом в этом случае в связи с трудностью изготовления коротких чипов. Поэтому периодическая структура с переменным коэффициентом преломления света встроенная в активную область лазерного диода позволяет эффективно контролировать процесс генерации света с заданной основной модой. При достижении частоты генерации решетка Брегга автоматически поддерживает этот режим. Нарис.14 показана конструкция такого полупроводникового лазера, используемого для встраивание его в волоконно-оптическую систему.

рис.15. Схематическое представление лазерного устройства со встроенными квантовыми стенками в рабочую область лазера.

Использование квантовых сверхрешеток и квантовых ям в объеме активной области позволяет еще больше оптимизировать использование полупроводниковых лазерных систем. Особенности электронного переноса и генерации светового излучения в таких структурах позволяет существенно улучшить эксплуатационные характеристики лазеров. В первую очередь это касается темперных параметров выходного светового сигнала. Квантовые стенки изменяют электронную плотность состояний в полупроводниковой структуре, что существенно снижает вероятность вредных безлучательных процессов процессе световой генерации. Это позволяет существенно снизить токовый порог начала световой генерации. Рис.15 представляет зонную диаграмму и возможную конструкцию такого лазерного устройства.

Применение сверхрешеток не ограничивается только этими применениями. Большое число эпитаксиально выращенных чередующихся областей с различным показателем преломления позволяет реализовывать оптические бреговские решетки, обладающие либо почти полной прозрачностью в направлении распространения светового пучка, либо полностью отражается с другой стороны. Это позволяет реализовывать структуры с вертикальным распространением светового потока. В этом случае активная область в направлении распространения света является очень узкой, а диаметр распространения светового потока наоборот большой. Если обратиться к выражению ( 34), то из него следует, что угловое расхождение светового потока в этом случае очень мало, а сечение светового пучка является площадью окружности (рис.16).

рис.16. Схематическое изображение полупроводникового лазера при использовании бреговских оптических сверхрешеток, генерирующего свет в направлении перпендикулярном плоскости активного слоя.

рис.17. Различные варианты реализации полупроводниковых лазеров, генерирующих свет в направлении перпендикулярном направлению выращенных эпитаксиальных слоев.

В настоящее время реализовано несколько вариантов таких лазерных структур, как это показано на рис.17.