Полупроводниковый инжекционный гетеролазер

Работа № 4

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИНЖЕКЦИОННЫЙ ГЕТЕРОЛАЗЕР

Целью работы является ознакомление с полупроводниковым инжекционным гетеролазером, а также исследование его основных характеристик.

4.1. Принцип действия полупроводникового инжекционного лазера

Полупроводниковые лазеры составляют особую группу среди лазеров на основе твердого тела. Важнейшим преимуществом использования полупроводников в качестве активных сред лазеров является возможность прямого преобразования электрической энергии в энергию когерентного электромагнитного излучения. При этом теоретически возможно получение коэффициента полезного действия приборов этого типа, близкого к 100 %.

В отличие от других активных сред, используемых для создания лазеров, энергетический спектр полупроводника имеет широкие полосы разрешенных состояний электронов (зону проводимости и валентную зону), которые разделены запрещенной зоной. При этом состояния электронов в зоне проводимости и в валентной зоне описываются не локализованными волновыми функциями, а блоховскими функциями, «размазанными» в пространстве. Соответственно, каждый изэлектронов в кристалле нельзя рассматривать как принадлежащий отдельному атому. Поэтому условие инверсии, записанное в обычном виде (Nm > Nn при Em > En), для полупроводников
неприемлемо.

Условие усиления электромагнитной волны в полупроводнике можно получить, если рассмотреть полное число переходов с поглощением и испусканием фотонов. Если учитывать только переходы зона–зона, то число испущенных в результате индуцированного испускания фотонов будет превышать число поглощенных фотонов при выполнении условия

где Fn* и Fp* – квазиуровни Ферми для электронов и дырок, а Еg – ширина запрещенной зоны.

Это соотношение по существу определяет условие инверсии населенности в полупроводнике для переходов зона–зона. Его физический смысл вполне очевиден: для того чтобы обеспечить преобладание усиления за счет процессов вынужденного испускания над процессами собственного поглощения, необходимо создать такие избыточные неравновесные концентрации носителей в зоне проводимости и в валентной зоне, при которых расстояние между квази­уровнями Ферми будет превышать ширину запрещенной зоны полупроводника. Это означает, что один или оба квазиуровня Ферми должны находиться внутри разрешенных зон, т. е. возбуждение должно быть настолько интенсивное, чтобы создать вырождение в зоне проводимости и в валентной зоне.

В общем случае для любых типов излучательных переходов с испусканием фотонов ħω условие инверсии записывается в виде

Условия (4.1), (4.2) являются необходимыми, но не достаточными для получения усиления или генерации в системе в целом. Достаточным условием здесь, как и в прочих типах усилителей и генераторов, является превышение усиления над всеми потерями. В полупроводниках с непрямой структурой энергетических зон выполнение этого условия затруднено. Поэтому в подавляющем большинстве случаев для получения лазерного эффекта используются полупроводники с прямой структурой энергетических зон, в которых вероятность излучательных переходов существенно превышает вероятность неактивного поглощения на свободных носителях заряда. Необходимым условием достижения лазерной генерации является также наличие положительной обратной связи в системе. Как и в других типах лазеров, эта задача может быть решена с помощью открытых резонаторов. Наиболее широко в полупроводниковых лазерах используется плоский резонатор (резонатор Фабри–Перо), поскольку его удобно изготовить сколами по кристаллографическим плоскостям, перпендикулярным плоскости р-n-перехода лазерной структуры.