План Общая информация о полупроводниковых лазерах 3 Применения полупроводниковых лазеров 4 (стр. 1 из 4)
МОСКОВСКИЙ
ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции
и ордена Трудового Красного Знамени
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. Н. Э. Баумана
Реферат
«Полупроводниковые лазеры для
волоконно-оптических линий связи»
Выполнил: Слюсаренко С.А
Группа РЛ2-71
Москва 2007 г.
План
1. Общая информация о полупроводниковых лазерах ------------------------------ 3
2. Применения полупроводниковых лазеров ------------------------------------------ 4
3. Лазер на двойном гетеропереходе ---------------------------------------------------- 5
4. Одномодовые канальные лазеры для волоконно-оптических линий связи -- 7
5. Полупроводниковые лазеры, излучающие в области 1300..1600 нм ---------- 14
1. Общая информация о полупроводниковых лазерах
Возможность использования полупроводниковых материалов в качестве активного вещества давно привлекает к себе внимание физиков и инженеров. Это не удивляет, так как полупроводники имеют высокую чувствительность к внешним воздействиям. Их свойствами можно управлять в очень широких пределах, изменяя температуру или давление, воздействуя на них светом или потоком заряженных частиц, вводя различные примеси. Основы теории полупроводниковых лазеров впервые изложены в публикациях И. Г. Басова, Б, М. Вула, Ю. М. Попова, задолго до появления в 1962 г. первого лазера на арсениде галлия.
Принцип действия полупроводникового лазера можно рассмотреть с помощью рис. 1. на котором показаны валентная зона полупроводника V, зона проводимости С и ширина запрещенной зоны Eg. Если предположить для простоты, что полупроводник находится при температуре Т = О К, то валентная зона будет полностью заполнена электронами, в то время как зона проводимости будет пуста (см. рис 1а, где заштрихованная область является областью заполненных состояний). Предположим теперь, что электроны каким-либо образом переведены из валентной зоны в зону проводимости. Внутри этой зоны электроны за очень короткое время ( ~ 10 с) перейдут на ее самый нижний уровень, а вск электроны вблизи максимума валентной зоны также перейдут на самые нижние из незанятых уровней, так что верхушка валентной зоны будет заполнена дырками. Отсюда следует, что между валентной зоной и зоной проводимости возникает инверсия населенностей (рис. 1б). Электроны из зоны проводимости сваливаются назад в валентную зону (т.е. они рекомбинируют с дырками), испуская при этом фотон (рекомбинационное излучение).
Рис. 1 Принцип действия полупроводникового лазера
Если между зоной проводимости и валентной зоной существует инверсия населен-ностей. как показано на рис. 1б, то процесс вынужденного рекомбинационного излучения приведет к генерации при наличии подходящего резонатора и выполнении соответствующих пороговых условий.
Лазерную генерацию на основе вынужденного рекомбинационного излучения в полупроводниковых p-n-переходах наблюдали почти одновременно четыре группы исследователей в I962 г, причем три из них использовали GaAs.
И настоящее время создано большое количество полупроводниковых лазеров различных типов; охлаждаемых и неохлаждаемых с различными схемами возбуждения, на различных материалах: ZnS; ZnO; ZnSe; CdS; CdTe; GaSe; GaTe; GaAs; GaAs 1-xSbx; Al 1-xGa xAs; GaSb; PbS; PbSe; PbTe; InSb; InAs 1-xSbx и т.д.Эти лазеры перекрывают значительный диапазон длин волн от ультрафиолета до дальней инфракрасной области: 0,33; 0,37; 0,46; 0,49; 0,53; 0,59; 0,63...0,9; 0,78; 0,83...0,91; 0,9...1,5; 1,01...1,55; 2,1; 3,1; 3,1...5,4; 3...15; 4,3; 5,2; 6,5; 39...8,5; 6; 28; 8...31,2 и т. д. Большим их достоинством
3
являются малые габариты и высокий к. п. д. (около 80%). Полупроводниковые лазеры из-за особенностей энергетической структуры активного вещества существенно отличаются от лазеров других типов.
Специфика процессов генерирования излучения в полупроводниковых лазерах во многом обусловлена системой энергетических уровней полупроводника. В отличие от отдельных атомов и молекул, полупроводниковые кристаллы обладают не узкими энергетическими уровнями, а широкими полосами—зонами энергетических состояний. Разрешенные зоны отделены одна от другой запрещенными зонами. В полупроводнике, подвергнутом нагреву, облучению или пропусканию тока, электроны валентной зоны, поглощая энергию, сообщаемую извне, приобретают способность преодолевать запрещенную зону и переходить в более высокую энергетическую зону — зону проводимости. В результате этого образуются пары носителей заряда: электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне, что приводит к электронно-дырочной проводимости. Возможен, очевидно, и обратный переход электронов возбужденного атома на более низкий энергетический уровень: из зоны проводимости в валентную зону. В результате такого перехода пары электрон — дырка рекомбинируют, т. е. при заполнении электронами пустых мест (дырок) в валентной лоне, электрон и дырка исчезают, выделяя избыточную энергию, полученную электронами извне в процессе возбуждения атома. Этот процесс длится примерно 10-10…10-12 с.
В естественных условиях при отсутствии каких-либо внешних воздействий на полупроводник, электронно-дырочные пары возникают и рекомбинируют в результате теплового движения и спонтанного испускания фотонов, причем в полупроводнике устанавливается тепловое равновесие электронов и дырок. Оно характеризуется некоторым равновесным количеством электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне.
2. Применения полупроводниковых лазеров
Полупроводниковые лазеры находят сегодня целый ряд важных применений в различных областях. Впервые эти лазеры в больших масштабах использовались в качестве оптической считывающей га-овки в компакт дисковых системах. Теперь эта область применения расширилась и включает в себя оптические диски, используемые как постоянные или одноразовые запоминающие устройства. Для этих применений используются GaAs-лазеры, однако предпринимаются большие усилия для разработки полупроводниковых лазеров видимого диапазона, поскольку более короткая длина волны позволяет считывать диски с более высокой поверхностной плотностью записи. В лазерах видимого диапазона в качестве активной среды применяется тройном сплав GalnP (или четверной сплав AIGalnP), а для р- и n-областей — GaAs. Выбором подходящего параметра состава можно согласовать решетки обоих сплавов с GaAs, и к настоящему времени достигнута надежная работа при комнатной температуре в красной области спектра ( —680 нм) на основе GalnP. Кроме того, эти лазеры широко применяются в волоконно-оптнческой связи, причем опять же с GaAs. в то время как в будущем, наверное, для этой цели лучше подойдет лазер на четверном сплаве InGaAsP. Для применений а связи срок службы любого компонента должен составлять как минимум около 105 ч (т. е. больше 10 лет). В настоящее время срок службы промышленных устройств составляет 10 ч. а экспериментальных около 5*10 ч . В настоящее время полупроводниковые лазеры на GaAs широко применяются для накачки Nd : YAG-лазеров в конфигурации с продольной накачкой. Для получения более высоких мощностей стержень из Nd : YAG можно также накачивать в поперечной конфигурации линейкой диодных лазеров. Как уже отмечалось, выходная мощность полоскового диодного лазера ограничена оптическим разрушением грани до типичного значения около 50 мВт. С целью
4
повышения мощности были разработаны линейки диодов с отдельными лазерными каналами, достаточно близко расположенными друг к другу, так что излучение всех этих каналов становится связанным, а фазы — синхронизованными. Таким путем была получена мощность около 2 Вт от линейки из 40 лазерных каналов. В заключение можно сказать, что для приложений полупроводниковые лазеры в настоящее время, по-видимому, играют наиважнейшую роль. Учитывая продолжающееся быстрое развитие этил лазеров, можно ожидать, что их роль в будущем значительно возрастет.
3. Лазер на двойном гетеропереходе
Рис. 2- Схематическое представление полупроводникового лазера с двойным гетеропереходом. Активная область представляет собой слой из GaAs(n) (заштрихованная область)
Ограничения, отмеченные в предыдущем разделе, сдерживали широкое использование полупроводниковых лазеров до тех пор, пока не были предложены вначале одинарные гетеропереходы, а вскоре после этого —двойные гетеропереходы. Мы ограничимся тем, что рассмотрим последний тип перехода, поскольку только он обычно и применяется. Чтобы проиллюстрировать его свойства, на рис. 2 приведен пример лазерной структуры с двойным гетеропереходом в GaAs, В этом диоде реализованы два перехода между различными материалами [Al Ga As(p)— GaAs и GaAs — Al Ga As(n)]. Активная область представляет собой тонкий слой GaAs (0,1—0,3 мкм). В такой структуре диода пороговую плотность тока при комнатной температуре можно уменьшить примерно на два порядка (т. е. до ~ 103 Л/см2) по сравнению с устройством на гомопереходе. Таким образом, становится возможной работа в непрерывном режиме при комнатной температуре. Уменьшение пороговой плотности тока происходит благодаря совместному действию трех следующих факторов: I) Показатель преломления GaAs ( 3,6) значительно больше показателя преломления Al Ga As ( 3,4), что приводит к образованию оптической волноводной структуры (рис. 3а). Отсюда следует, что лазерный пучок будет теперь сосредоточен главным образом в слое GaAs, т, е. в области, в которой имеется усиление, 2) Ширина запрещенной зоны Egl в GaAs (~ 1,5 эВ) значительно меньше, чем ширина запрещенной зоны Ем в Alo.3Gao.7As (~ 1,8 эВ). Поэтому на обоих переходах образуются энергетические барьеры, которые эффективно удерживают инжектированные электроны и дырки в активном слое (рис. 3в). Таким образом, для данной плотности тока концентрация электронов и дырок в активном слое возрастает, а значит, увеличивается и усиление. 3) Поскольку Eg, значительно больше, чем Egl1 лазерный пучок с частотой v = Eg /h почти не поглощается в Al Ga As . Поэтому крылья поперечного профиля пучка, заходящие как в p-, так и в n-области. (рис. 36), не испытывают там сильного поглощения.