Фово Лекции

выходит излучение, не намногим больше, так как активный слой близок к поверхности и критический угол мал. Если воздушный зазор мал, а диаметр волокна больше диаметра излучающей поверхности (рассматриваем ступенчатое многомодовое волокно), то можно считать, что почти все излучение поступает на вход волокна. Светодиод является диффузным источником, и в п. 8.4 было показано, что в волокно с числовой апертурой NA можно

ввести долю (NA)2 = (n12 − n 22 ) общей мощности от такого ис-

точника.

По аналогии с определениями внутренней и внешней квантовой эффективности можно определить квантовую эффективность ηвол для системы источник - волокно как отношение

числа фотонов, попавших в волокно, к общему числу электрон- но-дырочных пар, прошедших в единицу времени через p-n - переход. Тогда

Для волокна с NA = 0,17 и источника на основе арсенида галлия с f ′ T = 0,024 и с ηвнутр = 0,5 , получаем

ηвол = 0,00035 .

Низкая эффективность системы светодиод - волокно может быть улучшена, если удастся уменьшить потери на френелевское отражение. Один из способов осуществления этого показан на рис. 15.3, а). Диод соединен с волокном клеем, имеющим коэффициент преломления, близким по величине к коэффициенту преломления волокна. Кроме того, поверхность диода просветлена пленкой диэлектрического материала толщиной в четверть длины волны. Такая конструкция может дать существенное увеличение мощности излучения, вводимой в волокно.

На рис. 15.3, б) и в) показаны линзовые устройства для ввода излучения в волокно. Они могут улучшить эффективность связи только в том случае, когда диаметр волокна увеличен или излучающая поверхность светодиода уменьшена.

131

няется в источниках света для систем связи.

Электрод

Рис. 15.4. Схематическое изображение двойной гетероструктуры.

Использование гетероструктур приводит к следующим замечательным результатам:

1.Увеличение эффективности инжекции (сверхинжекция).

2.Ограничение неосновных носителей. Благодаря наличию потенциального барьера на границе полупроводников с различной шириной запрещенной зоны отсутствует сквозное прохождение электронов и дырок, вследствие чего рекомбинация сосредоточена в среднем слое.

3.Прозрачность широкозонного материала. Излучение, зародившееся в узкозонном материале, не может возбудить зоназонный переход в широкозонном материале. В результате этого слои 2 и 3 на рис. 15.4 оказываются значительно более прозрачными для излучения из материала 1, чем сам этот материал.

4.Волноводный эффект. Вследствие разницы показателей преломления слой 1 гетероструктуры выполняет роль высококачественного диэлектрического волновода, излучение сосредоточено в 1 слое, и световые потери во внешних слоях отсутствуют.

Благодаря применению гетероструктур были созданы низкопороговые полупроводниковые лазеры, работающие в непре-

133

рывном режиме при комнатной температуре, и высокоэффективные светоизлучающие диоды.

Достоинства гетероструктуры наиболее полно могут проявиться в светодиоде Барраса (рис. 15.5).

Рис. 15.5. Светодиод Барраса на основе двойной гетероструктуры. Показано эпоксидное согласующее соединение с во-

локном. Слои: 1 - n − GaAlAs ; 2 - n − илир − GaAs ; 3 - p − GaAlAs ; 4 - р+- GaAs контактный слой. Активная область

ограничена изолятором, полученным в результате облучения протонами.

На рис. 15.6 изображен GaAls / GaAs светодиод на основе двойной гетероструктуры с самоюстирующейся сферической линзой для увеличения мощности, вводимой в волокно.

На рис. 15.7 показан светодиод на основе двойной гетероструктуры GaInAs / InP . Подложка из InP прозрачна для излучения. Используется сферическая линза из стекла с высоким показателем преломления.

134

Сферическая линза (n=2,0)

Эпоксидная смола Металл

Zn р -слой

N - GaAlAs

P - GaAlAs P - GaAs N - GaAlAs

n - Ga As подложка

Металл

Припой

Поглотитель тепла

Рис. 15.6. Светодиод на основе двойной гетероструктуры с самоустанавливающейся сферической линзой [4].

Волокно

Микролинза

Золотой поглотитель тепла

Рис. 15.7. Светодиод на основе двойной гетеростуктуры для длинноволнового диапазона.

На рис. 15.8 представлена еще одна конструкция светоизлучающего диода на основе двойной гетероструктуры. Поскольку подложка из InP прозрачна для излучения светодиода, имеется возможность изготовления монолитной микролинзы.

135

Поглотитель тепла

Рис. 15.8. Вариант светодиода на основе двойной гетероструктуры для длинноволнового диапазона.

Светодиод с торцевым излучением на основе двойной гетероструктуры, показанный на рис. 15.9, дает излучение с очень маленькой поверхности. Благодаря полному внутреннему отражению оптическое излучение распространяется в волноводном слое вдоль перехода. Активная область ограничена полосковым контактом и щелью на задней части активного слоя. Это позволяет сделать активную область достаточно короткой, чтобы не возникали лазерные колебания. Световое излучение может самопоглощаться в активном слое, но он сделан очень тонким, в результате чего большая часть оптической мощности распространяется в слое, который ее не поглощает, так как имеет более широкую запрещенную зону. Поглощение оказывается максимальным для коротковолнового излучения, что существенно сужает спектральную ширину линии. Действие оптического волновода приводит к сужению диаграммы направленности излучения до 30о. Это, а также малая площадь излучателя, делает светодиод с торцевым излучением хорошо приспособленным для работы с линзовым согласующим устройством. В приборах этого типа, однако, труднее осуществить теплоотвод.

136

n - GaAs

подложка

Контакт

Рис. 15.9. Светодиод на основе гетероструктуры с торцевым излучением

Выводы

Приведены конструкции различных типов светоизлучающих полупроводниковых диодов. Рассмотрены преимущества использования в полупроводниковых диодах двойной гетероструктуры.

Вопросы и задачи

15.1.Как определяется квантовая эффективность системы светодиод - оптическое волокно?

15.2.Как можно увеличить квантовую эффективность системы светодиод - волокно?

15.3.Что такое гетероструктура?

15.4.Какие преимущества демонстрируют гетероструктуры при излучении по сравнении с обычным p-n - переходом?

137

ЛЕКЦИЯ 16 Принципы работы лазера. 16.1. Основные элементы лазера

Лазер - оптический квантовый генератор - это устройство, преобразующее различные виды энергии (электрическую, световую, химическую и др.) в энергию когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона. Термин лазер образован из начальных букв английского выражения light amplification by stimulated emission of radiation, что означает усиление света с помощью индуцированного излучения. Любой лазер, работающий как генератор когерентного излучения, должен состоять из трех элементов:

1)устройства, поставляющего энергию,

2)усиливающей среды, преобразующей полученную энергию в когерентное излучение,

3)устройства, осуществляющего обратную связь (резонатора).

16.2.Резонатор Фабри – Перо

Впростейшем случае оптический резонатор представляет собой два плоских зеркала, расположенных параллельно друг другу, между которыми находится усиливающая среда. Это и есть резонатор Фабри - Перо (рис. 16.1). Излучаемая в усиливающей среде волна отражается от зеркал и вновь возвращается в активную среду, вызывая индуцированное излучение. Одно из зеркал делается полупрозрачным для выхода части излучения.

d

z

z0 z1

Рис. 16.1. Схема лазерного резонатора.

138

Рассмотрим одномерный случай распространения электромагнитной волны в резонаторе, образованном двумя проводящими плоскостями z = z0 и z = z1 . В этом случае решение

уравнений Максвелла представляет собой суперпозиция волн, распространяющихся навстречу друг другу

Обозначим z1 − z0 = d . Тогда 2 k d = 2 π p , где р - целое число. Учитывая, что волновое число k = 2 π / λ , получим выражение

для длины волны, которая может распространяться в резонаторе:

Таким образом, в резонаторе могут существовать только волны, длина волны и частота которых определяется формулами (16.3)

и (16.4), то есть резонатор осуществляет квантование частот.

Лазерные резонаторы обладают высокой добротностью Q порядка 108 ÷ 109 . Добротность связана с относительной ши-

ν p = ν p / Q мала, и лазерные резонаторы характеризуются

139

очень высокой избирательностью по частотам (длинам волн) (см. рис. 16.2).

w

vp

Рис. 16.2. Селекция частот в резонаторе Фабри - Перо.

Наиболее благоприятные условия для генерации излучения в активной среде возникают, когда резонансная частота испускаемой спектральной линии ν21 и собственная частота резонато-

ра νр совпадают. В этом случае излучается максимальная мощность. По мере отклонения излучаемой частоты от νр

генерируемая мощность уменьшается и при достаточно большой расстройке может исчезнуть.

16.3. Усиливающая среда. Инверсия населенностей

Возбужденный атом может испускать квант света при переходе из состояния с энергией E2 в состояние с меньшей энерги-

ей E1 . Энергия испущенного кванта определяется соотношени-

Спонтанное излучение происходит самопроизвольно в произвольный момент времени (рис.16.3, б). При этом частота кванта света будет также произвольной (в пределах контура спектральной линии). Произвольным будет также его направление распространения и фаза. Таким образом, спонтанное излучение является некогерентным и играет роль собственных шу-

140