Цель работы. Ознакомление с принципом действия, устройством и основными характеристиками инжекционного полупроводникового лазера.
Основные положения. В настоящее время из всех типов полупроводниковых лазеров стадии промышленного изготовления и практического использования достигли лишь инжекционные лазеры (ИППЛ), возбуждаемые за счет пропускании электрического тока через p-n–переход лазерного диода. При приложении к p-n-переходу прямого напряжения U потенциальный барьер снижается (компенсируется) на величину eU, тем самым обеспечивается протекание тока. Происходит инжекция неосновных носителей – электронов из n-области в p-область и встречная инжекция дырок. За счет инжекции неосновных носителей в n- и p-областях формируются неравновесные распределения с соответствующими квазиуронями Ферми Fe и Fp. Кванты в полупроводнике возникают в результате излучательной рекомбинации электронов с дырками. Длина волны λ излучения ИППЛ в первом приближении определяется энергетической шириной ΔE запрещенной зоны используемого кристалла. По толщине d область рекомбинации ограничена длиной свободного пробега дырок порядка 10–6 м. Инверсное состояние полупроводника соответствует условию Fe – Fp > ΔE. Это означает, что на более высоком энергетическом уровне (на “дне” зоны проводимости) оказывается большее число электронов, чем на нижнем уровне (у “потолка” заполненной зоны). В этом случае процессы вынужденного излучения будут преобладать над процессами поглощения и возникнет усиление.
Прикладываемое к p-n–переходу напряжение не может быть больше ΔE, поэтому ВАХ ИППЛ имеет участок насыщения.
Исторически первые и наиболее распространенные на сегодня ИППЛ на основе GaAs-GaAlAs генерируют в области 800...900 нм. Используются также лазерные материалы на основе GaP, JnP, GaN и другие. Благодаря прямому преобразованию тока в излучение ИППЛ обладают по сравнению с другими типами лазеров высоким КПД, низким энергопотреблением и высокими значениями показателя κус усиления. Например, для инжекционного лазера на основе арсенида галлия κус достигает 104 м–1 при комнатной температуре и 106...107 м–1 при криогенной температуре. При столь высоком усилении обеспечиваются лазерный эффект в полупроводниковых элементах протяженностью в сотни микрометров и, соответственно, миниатюрность прибора в целом. Непрерывные ИППЛ обеспечивают мощность генерации на уровне сотен милливатт (реже 1…5 Вт).
Необходимую длину L активной среды получают сколом по граням кристалла (границам спайности), которые образуют зеркала ИППЛ. Лучевая стойкость граней к собственному излучению определяет предельную мощность P генерации. На грани могут наноситься просветляющие или отражающие покрытия. Когерентное излучение выходит в направлении оси z, перпендикулярной торцу излучающей области p-n–перехода лазерного диода. Толщина d области p-n–перехода составляет 0,2 ... 1 мкм, а ширина D не превышает единиц–десятков мкм. Для подавления поперечных типов колебаний нерабочие поверхности кристалла могут делаться шероховатыми.
Первые ИППЛ были созданы на основе p-n–гомопереходов, образованных в полупроводниковых соединениях одного типа. Они обладали низкими генерационными характеристиками, большим пороговым током Iпор, малым КПД и требовали глубокого охлаждения. Высокие потери в первых полупроводниковых лазерах были обусловлены распространением излучения из активной области p-n–перехода в соседние неактивные области и последующим его поглощением. Кроме того, часть электронов за счет большой скорости проходили через активную зону, не рекомбинируя с дырками и, таким образом, не участвуя в генерации.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.