Полупроводниковые лазеры

Отличительной особенностью полупроводников, выделяющей их в отдельный класс материалов, является возможность управляемо изменять (инвертировать) тип их электропроводности. При этом диапазон изменения удельного сопротивления может достигать двадцати и более порядков. Именно эта особенность привела к созданию p-n-перехода и развитию полупроводниковой электроники и микроэлектроники. Использование рассмотренных процессов излучательной рекомбинации в полупроводниках при инжекции неосновных носителей заряда через p-n-переход, позволило создать новые классы приборов — светодиоды и полупроводниковые инжекционные лазеры. Эти приборы наряду с фотодиодами являются теми элементами, на которых базируется современная оптоэлектроника. Области их применения весьма широки — от простейших световых индикаторов до волоконно-оптических линий связи сверхвысокой емкости и лазерных систем обработки информации. Их тиражи превышают миллионы при номенклатуре в несколько сотен модификаций. Обладая традиционными преимуществами полупроводниковых приборов: малыми габаритами, мгновенной готовностью к работе, низкими рабочими напряжениями, надежностью, совместимостью с интегральной полупроводниковой технологией, экономичностью и низкой стоимостью, — светодиоды и инжекционные лазеры с высокой эффективностью преобразуют электрическую энергию (сигнал) в световую. Светодиоды преобразуют электрический сигнал в некогерентное, а инжекционные лазеры — в когерентное излучение оптического диапазона.

Среди оптических квантовых генераторов важную роль играют полупроводниковые лазеры. Использование полупроводников в качестве активной среды позволяет непосредственно преобразовать электрическую энергию в энергию светового излучения. Следует напомнить, что в ранее рассмотренных лазерах электрическая энергия сначала превращалась в световую энергию накачки и лишь затем световая энергия вызывала индуцированное излучение лазера. Вследствие этого полупроводниковые лазеры имеют высокий КПД и позволяют сравнительно просто осуществлять модуляцию.

Рис. 1 Диаграмма энергетических уровней р-n перехода

Принцип работы полупроводниковых лазеров можно изложить следующим образом. В соответствии с квантовой теорией в кристаллах полупроводника валентные электроны обычно занимают одну из энергетических зон, называемую валентной зоной (нижний уровень, см. рис.1). Для того чтобы в кристалле полупроводника создать пару «электрон — дырка», одному электрону в валентной зоне необходимо сообщить дополнительную энергию, которая передается ему воздействием света, тока или при повышении температуры. В результате электрон переходит в зону с более высокой энергией — в зону проводимости (верхний уровень), что приводит к появлению пары носителей заряда: электрона (в зоне проводимости) и дырки (в валентной зоне). Энергия, необходимая для создания пары электрон — дырка, измеряется шириной запрещенной зоны. Когда возбужденные электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону (а дырки в это же время совершают переход в противоположном направлении), происходит рекомбинация пар электрон — дырка; при этом выделяется энергия в виде квантов светового излучения (фотонов) или квантов энергии термических колебаний решетки кристалла (фононов).

Явление рекомбинационного излучения наблюдается в р-п переходах из мышьяковистого галлия, сурмянистого индия, фосфида индия, сплавов германия с кремнием, карбида кремния, когда прикладывается смещение в прямом направлении, чтобы повысить концентрацию носителей и, следовательно, интенсивность излучения. Действие полупроводникового диода как генератора излучения основано на использовании рекомбинационного излучения, возникающего за счет возбуждения электронов и дырок в полупроводнике при прохождении тока через р-п переход в прямом направлении. Если имеется достаточная концентрация возбужденных, находящихся в зоне проводимости электронов, спонтанное излучение переходит в индуцированное и лазер на полупроводнике начинает генерировать.

Рис. 2 Схема инжекционного лазера с р-n переходом
а — конструкция; б — поперечное распределение интенсивности излучения по активной зоне; 1 — шероховатая поверхность; 2 — оправка; 3 — полированная поверхность; 4 — электрод

Чтобы придать излучаемому свету определенное на-правление, на двух противоположных сторонах кристалла необходимо поместить параллельные зеркала. Этого можно добиться специальной полировкой противоположных граней кристалла, причем эти две боковые грани кристалла делаются строго параллельными друг другу и перпендикулярными к плоскости р-п перехода. Они образуют резонансную систему лазера. Две другие грани полируются под углом одна к другой, чтобы в направлении этих граней не было излучения. К верхней и нижней частям кристалла, т. е. к областям с р и п проводимостью, подводятся контакты: «плюс» к р, а «минус» — к n области (рис. 2).

Лазеры на диодных р-п переходах очень эффективны, так как каждый попадающий в область перехода электрон излучает фотон, а потери сводятся только к оптическому рассеиванию энергии на электрических сопротивлениях в остальных частях диода. В отличие от обычных лазеров в лазерах на полупроводниковых диодах применяется не световая, а электрическая накачка. Для осуществления такой накачки величина смещения в прямом направлении должна быть примерно такого же порядка, что и величина запрещенной зоны в полупроводнике, из которого сделан диод. Благодаря высокой плотности носителей заряда — элементарных излучателей — в активной области вблизи полупроводникового перехода (как в некогерентном, так и в когерентном режиме) достигается высокий КПД (свыше 50%), что намного выше, чем у твердотельных лазеров с оптической накачкой. Существующие в настоящее время оптические квантовые генераторы на диодном переходе имеют малые размеры и значительную энергию излучения. Частоту сигналов полупроводниковых лазеров можно регулировать в значительных пределах изменением температуры. Используя соединения из трех элементов (арсенид-фосфид галлия), в зависимости от содержания мышьяка и фосфора можно получить генерацию в области 6100—8000 А. Трехэлементное соединение арсенид галлия — индия дает возможность построить лазер, генерирующий в интервале 6500—31000 А. Наиболее изучены характеристики излучения диодов из мышьяковистого галлия.

Основные характеристики полупроводниковых лазеров сведены в таблице ниже.

Излучение полупроводникового лазера можно модулировать соответствующим изменением тока смещения, подаваемого на диод в прямом направлении. При этом частота модулирующих колебаний измеряется тысячами мегагерц.

Преимуществом полупроводниковых лазеров является также то, что они могут работать при более высоких частотах следования импульсов (десятки килогерц), чем лазеры на рубине. Недостаток их в том, что по сравнению с другими типами лазеров они излучают колебания в более широкой полосе частот, и поэтому их излучение менее сфокусировано (имеет более широкую диаграмму направленности).