Види лазерних діодів

Конструкція лазерного діода, описана вище, має назву «діод із n-p гомоструктурою» (значення терміну стане зрозумілим трохи пізніше). На жаль, такі діоди украй неефективні. Вони вимагають такої великої вхідної потужності, що можуть працювати тільки в імпульсному режимі, інакше вони розплавляються. Незважаючи на простоту конструкції і історичну значимість, на практиці вони не застосовуються.

Лазери на подвійній гетероструктурі

У цих пристроях, шар матеріалу з вужчою забороненою зоною розташовується між двома шарами матеріалу з ширшою забороненою зоною. Найчастіше для реалізації лазери на основі подвійної гетероструктури використовують арсенід галію (GaAs) і арсенід алюмінію-галію (AlGaAs). Кожне з'єднання двох таких різних напівпровідників називається гетероструктурою, а пристрій — «діодом з подвійною гетероструктурою» (ПГС). У англомовній літературі використовуються назви «double heterostructure laser» або «DH laser». Описана на початку статті конструкція називається «діод на гомопереході» якраз для ілюстрації відмінностей від даного типа, який сьогодні використовується достатньо широко.

Перевага лазерів з подвійною гетероструктурою полягає в тому, що область співіснування електронів і дірок («активна область») поміщена в тонкому середньому шарі. Це означає, що багато більше електронно-дірчастих пар даватимуть внесок в посилення - не так багато залишиться їх на перефірії, в області з низьким посиленням. Додатково, світло відображатиметься від самих гетеропереходів, тобто випромінювання буде цілком поміщено у області максимально ефективного посилення.

Діод з квантовими ямами

Якщо середній шар діода ПГС зробити ще тоншим, такий шар почне працювати як квантова яма. Це означає, що у вертикальному напрямі енергія електронів почне квантуватися. Різниця між енергетичними рівнями квантових ям може використовуватися для генерації випромінювання замість потенційного бар'єру. Такий підхід дуже ефективний з огляду на можлівість керування довжиною хвилі випромінювання, яка залежатиме від товщини середнього шару. Ефективність такого лазера буде вищою в порівнянні з одношаровим лазером завдяки тому, що густина електронів і дірок, що беруть участь в процесі випромінювання, має більш рівномірний розподіл.

Гетероструктурні лазери з роздільним утриманням

Основна проблема гетероструктурних лазерів з тонким шаром — неможливість ефективного утримання світла. Щоб подолати її, з двох сторін кристала додають ще два шари. Ці шари мають менший коефіцієнт заломлення в порівнянні з центральними шарами. Така структура, що нагадує світловод, ефективніше утримує світло. Ці пристрої називаються гетероструктурами з роздільним утриманням («separate confinement heterostructure», SCH)

Більшість напівпровідникових лазерів, вироблених після 1990-го року, виготовлені за цією технологією.

Лазери з розподіленим зворотним зв'язком

Лазери з розподіленим зворотним зв'язком (РІС) найчастіше використовуються в системах багаточастотного оптоволоконного зв'язку. Щоб стабілізувати довжину хвилі, в районі p-n переходу створюється поперечна насічка, створююча дифракційні гратки. Завдяки цій насічці, випромінювання тільки з однією довжиною хвилі повертається назад в резонатор і бере участь в подальшому посиленні. РОС-лазери мають стабільну довжину хвилі випромінювання, яка визначається на етапі виробництва кроком насічки, але може трохи мінятися під впливом температури. Такі лазери — основа сучасних оптичних телекомунікаційних систем.

VCSEL

Вертикально-випромінюючі лазери (VCSEL) - «Поверхнево-випромінюючий лазер з вертикальним резонатором» - різновид діодного напівпровідникового лазера, що випромінює світло в напрямі, перпендикулярному поверхні кристала, на відміну від звичайних лазерних діодів, випромінюючих в площині, паралельній поверхні. Перший VCSEL був створений в 1979 році групою японських вчених, але лазер для роботи в безперервному режимі при кімнатній температурі з'явився тільки в 1988 році . Історична довідка. напівпровідникових гетероструктур для високошвидкісної оптоелектроніки займалися в петербурзькому фізтеху ім. А. Ф. Іоффе з 1960-х рр.. під керівництвом Жореса Алфьорова. За розвиток цього напрямку академіку Ж.І. Алфьорову спільно з Г. Кремер (США) була присуджена в 2000 році Нобелівська премія з фізики. Технологія створення на базі таких наногетероструктур надшвидкісних вертикально-випромінюючих лазерів (VCSEL) була запатентована в Німеччині. Конструкція і виробництво Схема будови вертикально-випромінюючого лазераДля виготовлення епітаксійних гетероструктур застосовується промислова технологія молекулярно-пучкової епітаксії на підкладках арсеніду галію і фосфіду індію. Вирощування відбувається в умовах високого вакууму. Потік речовини-джерела направляється у вигляді пучка молекул на підкладку - мішень, де відбувається осадження речовини. Так, строго дозуючи потік речовини від кожного джерела, можна отримувати напівпровідниковий матеріал різного складу. Сучасні варіанти конструкції вертикально-випромінюючих лазерів (VCSEL) засновані на використанні вертикальних оптичних мікрорезонаторів з дзеркалами на основі чергуються шарів напівпровідникових матеріалів різного складу (наприклад, твердих розчинів AlGaAs c різним вмістом Al). При цьому як активної (светоизлучающий) області, як правило, використовуються одна або декілька квантових ям. До числа основних переваг VCSEL в порівнянні з традиційними лазерами відносяться мала кутова розбіжність і симетрична діаграма спрямованості вихідного оптичного випромінювання, температурна та радіаційна стабільність, групова технологія виготовлення і можливість тестування приладів безпосередньо на пластині. Планарная технологія ВІЛ дозволяє формувати інтегровані лінійні масиви і двовимірні матриці з великим числом індивідуально адресуються випромінювачів . На практиці для досягнення високої швидкодії необхідна не тільки ретельна оптимізація параметрів активної області, епітаксіальної гетероструктури в цілому, а також топології кристала VCSEL. VCSEL застосовується в першу чергу для високошвидкісної передачі данних.На сьогоднішній день VCSEL, що забезпечують швидкість передачі даних 10 Гб / с, виробляються всього декількома провідними компаніями, переважно для реалізації власних передавачів. Російська компанія «Конектор Оптикс» виробляє VCSEL спектрального діапазону 850 нм [4]. У той же час, згідно із затвердженими планами розвитку стандарту Infiniband, в кабелях наступного покоління швидкість передачі даних повинна становити 26 Гбіт / с. Крім того, новий інтерфейс USB 3.0 працюватиме зі швидкістю 5 Гбіт / с з можливістю підключення оптоволокна, при цьому протокол передачі даних дозволяє досягти 25 Гб / с в найближчому майбутньому. Таким чином, на ринку існує потреба в VCSEL, що забезпечують швидкість передачі даних в діапазоні 25 Гбіт / с і вище. Технологія Коннектор Оптикс дозволяє реалізувати VCSEL спектрального діапазону 850 нм з рекордним швидкодією - до 40 Гбіт / c в режимі прямої струмового модуляції.

VECSEL

VECSEL — невеликий напівпровідниковий лазер, що настроюється, аналогічний VCSEL.