Полупроводниковые лазеры на основе гетеропереходов

Первые полупроводниковые лазеры были созданы на основе гомо р-n переходов, то есть на основе р-n переходов, формируемых в однородном полупроводнике, в частности, в GaAs. С помощью диффузии примесей или с помощью эпитаксиальной технологии в GaAs формировался р-n переход, через который под действием электрического поля осуществлялась инжекция не основных носителей и вблизи которого в структуре происходила генерация лазерного излучения. Однако, оказалось, что лазеры на основе гомопереходов имеют ряд существенных недостатков, ограничивающих области их практического применения. Главным из них является наличие больших токов питания, необходимых для генерации лазерного излучения, т.е. больших пороговых токов, которые приводят к перегреву и быстрой деградации лазерной структуры. Срок работы таких лазеров в непрерывном режиме генерации составлял всего десятки часов, после чего структура разрушалась

В результате дальнейших исследований и разработок выяснилось, что пороговые токи питания лазеров могут быть существенно снижены, а их надежность повышена за счет применения полупроводниковых структур с гетеропереходами, то есть структур, в которых р-n переходы образуются в результате контакта различных по химическому составу материалов, например, GaAs, AlGaAs, InP и GaInAsP и ряда других.

Комбинацию таких гетеропереходов называют гетероструктурой. Гетероструктуры, состоящие из одного перехода называют простыми, из двух – двойными, из большего числа гетеропереходов – мультигетероструктурами. Для создания полупроводниковых лазеров, как правило, применяются двойные гетероструктуры.

Двойная гетероструктура представляет собой два слоя полупроводника с широкой запрещенной зоной , разделенных слоем полупроводника с более узкой запрещенной зоной . Структура энергетических зон такого двойного гетероперехода, InP/GaInAsP представлена на рис. 5.8.

В основном для создания источников излучения используют двойные гетероструктуры, образованные следующими материалами:

и

еще они обозначаются как пары и .

Лазерное излучение возникает в узкозонном слое, заключенном между широкозонными слоями, который называется активным слоем или активной средой. На рис 5.8 активным слоем является. InGaAsP, а слои I и P называются обычно слоями покрытия или материалом покрытия.

гетероструктуре и между 4 компонентами в гетероструктуре .

Как видно из рис. 5.8, активный слой в гетероструктуре окружен слоями с большей шириной запрещенной зоны. Поэтому по обе стороны активного слоя вблизи поверхностей раздела возникают потенциальные барьеры для носителей и почти все дырки и электроны рекомбинируют в активном слое, излучая свет с длиной волны пропорциональной ее ширине.

Рис. 5.8. Структура энергетических зон гетероперехода: а – инжекция электронов и дырок в активный слой; б – распределение коэффициента преломления; в – распределение светового излучения. Длина волны лазерного излучения определяется шириной запрещенной зоны узкозонного активного слоя и равна . Для лазеров на основе гетероструктуры она лежит в пределах (0,8-0,9) мкм, а для структур в пределах (1,3-1,67)мкм. Ширина запрещенной зоныв активном слое варьируется путем изменения ее состава, то есть соотношения между и в

Рис. 5.9.

По той причине, что показатель преломления активного слоя выше показателей преломления ограничивающих слоев излучения не выходит в другие области структуры и усиливается в активном слое благодаря вынужденному излучению. Если имеется обратная связь (зеркала), то возникает когерентное лазерное излучение. Структура типичного полупроводникового лазера полосковой геометрии показана на рис. 5.9.

Омический контакт в этой структуре ограничен и представляет собой узкую полоску. Поэтому название полосковая геометрия. Такая геометрия контакта позволяет ограничить активную область и сконцентрировать излучение. Когда на лазерную структуру подается положительное смещение и через нее течет электрический ток, то на начальном этапе возникает излучение пропорциональное силе тока. Интенсивность этого излучения пропорциональна силе тока и при малых токах оно носит спонтанный характер. Однако стоит току возрасти до некоторого значения, мощность излучения резко увеличивается и оно становится лазерным, то есть концентрируется в узком луче и становится когерентным. Обычно величина порогового тока составляет от единиц до сотен миллиампер, а мощность лазерного излучения от единиц до нескольких десятков милливатт. Вид ватт/амперной хараткеристики п/п лазера приведена на рис. 5.10.

Таким образом, полупроводниковый лазер представляет собой пороговый прибор, поэтому даже при неизменном напряжении смещения и токе через структуру изменение окружающих условий, в частности, температуры Т среды приводит к изменению порогового значения тока, а вместе с тем и величины оптической мощности. Следовательно, при использовании этих приборов в системах связи или датчиках к ним необходимо использовать схему автоматического регулирования выходной оптической мощности, которое осущетсвляется за счет регулирования температуры и тока через структуру.

Рис. 5.10.

Лазерные моды

Активная область полоскового лазера ограничена зеркалами (сколами кристалла) и образует прямоугольную область, играющую роль резонатора для лазерного излучения. В таком резонаторе может существовать несколько типов колебаний (мод), каждый из которых характеризуется своей частотой. На этих частотах может возбуждаться лазерная генерация и, следовательно, такие составляющие появятся в выходном излучении лазера. Каждая мода характеризуется тремя целыми числами (m, s, q), которые соответствуют числу максимумов в распределении электромагнитного поля по трем взаимно перпендикулярным направлениям внутри резонатора.

Обозначения основных мод показаны на рис. 5.9. Существуют моды продольные (q), поперечные (m) м боковые поперечные (s,).

Продольные моды характеризуют распределение поля световой волны в направлении распространения излучения, то есть направлении перпендикулярном зеркалам резонатора. Каждая продольная мода соответствует определенной частоте (или спектральной длине волны) генерации лазера. То есть спектр генерации лазерного излучения определяется продольными модами.

Модуляционные характеристики полупроводниковых лазеров.

Модуляция полупроводниковых лазеров осуществляется путем подачи модулирующего электрического сигнала на лазерную структуру. Обычно применяют 2 вида модуляции непрерывным аналоговым сигналом или импульсным. Типичная зависимость мощности промодулированного излучения от частоты модуляции имеет вид, приведенный на рис.5.11.

Из рисунка видно, что зависимость выходной мощности от частоты носит резонансный характер, который объясняется взаимодействием между избыточными носителями, возникающими в активной области лазера и оптическим излучением в резонаторе (электронами и фотонами) и называется электрон-фотонным резонансом. Частота резонанса f_r зависит от величины порогового тока и смещается с ростом последнего в высокочастотную область.

Рис. 5.11. Зависимость выходной мощности лазера от частоты модуляции.

Обычно f_r лежит в пределах 0,2-2 ГГц. Такой характер зависимости выходной мощности от частоты модуляции при ее постоянной амплитуде имеет место практическая для всех п/п лазеров.

Характеристики, приведенные на рисунке аналогичны резонансным кривым параллельного колебательного контура.

Электрон-фотонный резонанс играет важную роль и при импульсной модуляции лазера. На рис. 5.12 показана зависимость выходной мощности лазера от тока накачки при импульсной модуляции.

Следует заметить, что при модуляции лазера, как синусоидальным сигналом, так и импульсным на лазерную структуру подается постоянный ток смещения. Причем при синусоидальной модуляции ток смещения несколько превышает пороговый ток лазера, а при импульсной, может как превышать, так и не доходить до порогового значения. Рассмотрим процесс включения и импульсной модуляции полупроводникового лазера при токе смещения не доходящем до порогового значения. Предположим, что ток включается мгновенно, причем величина суммарного тока, может как превышать пороговое значение, так и только достигать его. В силу электрон-фотонного взаимодействия такой скачок тока приводит, к так называемому, «звону», то есть выходная мощность лазера оказывается промодулированной затухающими колебаниями с частотой f_r.

Рис.5.12. Типичный звон, наблюдающийся при импульсной модуляции

полупроводникового лазера.

На частоту звона (период затухающих колебаний) выходной мощности лазера и на спектр генерации лазера наиболее существенное влияние оказывает величина тока смещения, хотя некоторое воздействие оказывает величина тока модуляции. По мере возрастания тока смещения до порогового значения и далее временная задержка уменьшается, звон усиливается и средняя за время импульса ширина спектра сужается. Поэтому обычно работают при малых превышениях тока модуляции над пороговым.

В последнее время были созданы лазеры с волноводным усилением и шириной полоскового контакта не более 5 мкм, в которых осцилляции мощности не наблюдаются. В этих приборах имеет место, так называемый, мягкий режим возбуждения, резонансы сильно подавляются спонтанным излучением и мощность излучения выравнивается.

Как уже говорилось ранее, во всех лазерах изменение температуры сильно влияет на величину порогового тока и выходные характеристики излучения. Поэтому необходимо запитывать и модулировать лазеры с помощью схем питания автоматического регулирования температуры, порогового тока и выходной мощности. На рис. 5.13а показана эквивалентная электрическая схема полупроводникового диодного устройства (лазера, сведиода). Эта схема применима ко всем полупроводниковым источникам излучения. Основными элементами схемы являются последовательный резистор R_S, емкость C_d и диод с обычной вольтамперной характеристикой

,

Рис.5.13. Возможности электрического управления полупроводниковыми светоизлучающими приборами. а – эквивалентная схема СИД или лазера; б –управляющая схема для высокочастотной модуляции; в – схема контроля температуры и выходной мощности в модуле с лазерным диодом.

где - прямой ток диода, - прямое напряжение, - заряд электрона, - постоянная больцмана и Т абсолютная температура. Теперь мы рассчитаем ограничения, которые налагают паразитные токи на поведение диода при модуляции, до тех пор пока в приборе начинают сказываться более фундаментальные физические ограничения, которые мы рассмотрим позже. Дифференцирование вышеприведенного выражения дает а величина динамического сопротивления дается формулой , причем =25мВ при комнатной температуре, и, следовательно, при типичных токах прямого смещения достигается динамическое сопротивление 0,5 Ом.  

Таким образом, хотя паразитная емкость при прямом смещении может иметь величину несколько сот пикофарад, ограничение на частотную характеристику весьма значительно. Если мы пренебрежем последовательным сопротивлением на рис. 5.13 а ввиду его очень малой величины в существующих приборах, то частота на уровне 3 Дб дается выражением

при наличии тока смещения, а следовательно , даже если принять .

На рис. 5.13 б показана схема питания лазерного диода или светодиода (СИД), предназначенная для токового смещения лазерного диода или СИД от источника постоянного напряжения и дающая возможность для амплитудной модуляции либо непосредственно от источника напряжения радиочастотного диапазона, либо через передающую линию. В последнем случае сопротивление должно быть согласовано с импедансом. Развязывающий конденсатор С должен иметь низкий импеданс на всех необходимых частотах.

На рис. 5.13 в изображена типичная функциональная блок схема управляющей системы для стабилизации как температуры, так и оптического выхода лазера. Похожие схемы можно использовать для СИД, за исключением распространенных поверхностно-излучающих и излучающих вперед СИД (ИСИД). Управляющий фотодиод в общем случае будет обязан получать часть света с выхода на передней стороне установки. Температурный контроль достигается использованием температурного контролирующего устройства и приспособления Пельтье, предназначенного для управления температурой. Многие промышленно выпускаемые лазерные модули не содержат таких контролирующих температуру и выходную мощность устройств внутри лазерного корпуса.

Дата добавления: 2014-01-20