Светодиоды и полупроводниковые лазеры кратко

Обновлено: 08.07.2024

Полупроводниковые лазеры – это лазеры с усиливающей средой на основе полупроводников, где генерация происходит, как правило, за счет вынужденного излучения фотонов при межзонных переходах электронов в условиях высокой концентрации носителей в зоне проводимости. Формально, полупроводниковые лазеры также являются твердотельными лазерами, однако их принято выделять в отдельную группу, т.к. они имеют иной принцип работы.

Началом эпохи полупроводниковых лазеров считают осень 1962 года, когда практически одновременно были опубликованы первые статьи о наблюдении стимулированного излучения в арсениде галлия.

Рассмотрим процесс возникновения усиления в полупроводниках. Без накачки большинство электронов находится в валентной зоне. Пучок накачки с фотонами с энергией немного больше ширины запрещенной зоны возбуждает электроны и переводит их в более высокоэнергетическое состояние в зоне проводимости, откуда они быстро перемещаются к дну зоны проводимости. В то же время, дырки, генерируемые в валентной зоне, перемещаются в ее верхнюю часть. Электроны из зоны проводимости рекомбинируют с этими дырками, испуская фотоны с энергией, приблизительно равной ширине запрещенной зоны. Этот процесс может также стимулироваться входящими фотонами с подходящей энергией. Большинство полупроводниковых лазеров являются лазерными диодами с накачкой электрическим током, и с контактом между n-легированными и р-легированными полупроводниковыми материалами. Есть также полупроводниковые лазеры с оптической накачкой, где носители генерируются за счет поглощения возбуждающего их света, и квантово каскадные лазеры, где используются внутризонные переходы. Основными материалами для полупроводниковых лазеров (и для других оптоэлектронных устройств) являются: GaAs (арсенид галлия), AlGaAs (арсенид галлия - алюминия), GaP (фосфид галлия), InGaP (фосфид галлия - индия), GaN (нитрид галлия), InGaAs (арсенид галлия - индия), GaInNAs (арсенид-нитрид галлия индия), InP (фосфид индия), GaInP (фосфид галлия-индия).

Рис. 10. Структура полупроводниковых лазеров

Перечисленные полупроводники являются прямозонными; полупроводники с непрямой запрещенной зоной, такие как кремний, не обладают сильным и эффективным световым излучением. Так как энергия фотона лазерного диода близка к энергии запрещенной зоны, полупроводниковые композиции с разными энергиями запрещенной зоны позволяют получить излучение с различными длинами волн. Помимо вышеупомянутых неорганических полупроводников, могут также использоваться органические полупроводниковые соединения для полупроводниковых лазеров. Соответствующая технология еще молодая, но она бурно развивается, так как перспективы дешевого и массового производства таких лазеров весьма привлекательны.

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).

Лазерные диоды

В лазерном диоде полупроводниковый кристалл изготавливают в виде очень тонкой прямоугольной пластинки. Такая пластинка по сути является оптическим волноводом, где излучение ограничено в относительно небольшом пространстве. Верхний слой кристалла легируется для создания n-области, а в нижнем слое создают p-область. В результате получается плоский p-n переход большой площади. Две боковые стороны (торцы) кристалла полируются для образования гладких параллельных плоскостей, которые образуют оптический резонатор, называемый резонатором Фабри-Перо. Случайный фотон спонтанного излучения, испущенный перпендикулярно этим плоскостям, пройдёт через весь оптический волновод и несколько раз отразится от торцов, прежде чем выйдет наружу. Проходя вдоль резонатора, он будет вызывать вынужденную рекомбинацию, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами, и излучение будет усиливаться (механизм вынужденного излучения). Как только усиление превысит потери, начнётся лазерная генерация.

Рис. 11. Вид лазерных диодов, изготовленных в лаборатории эпитаксиальных технологий в НИФТИ ННГУ им. Н. И. Лобачевского

Области применения полупроводниковых лазеров:

• Лазерные диоды высокой мощности используются как высокоэффективные источники накачки для твердотельных лазеров (лазеров с диодной накачкой). Позволяют осуществлять электрическую накачку с невысоким электрическим напряжением и высоким КПД. Длина волны излучения диодных лазеров подбирается, исходя из требуемой длины волны накачки.

• Диапазон возможных длин волн генерации лазерных диодов очень велик и охватывает большую часть видимой, ближней инфракрасной области и средней инфракрасной области спектра. Некоторые лазерные диоды также позволяют перестраивать длину волны.

• Небольшие лазерные диоды позволяют осуществлять быстрое переключение и модуляцию оптической мощности, что позволяет их использовать, например, в передатчиках оптоволоконных линий.

По своим характеристикам полупроводниковые лазеры являются наиболее важным типом лазеров. Их применение приобрело чрезвычайно широкое распространение, в том числе, в таких разнообразных областях, как оптическая передача данных, оптическая запись информации, метрология, спектроскопия, обработка материалов, накачка твердотельных лазеров, а также различные направления медицины.

Специфичность применения лазеров обусловлена их мощностью и длиной излучаемой волны. Так испытания новых медицинских лазерных аппаратов различных вариантов исполнения (длины волн – 808, 980 и 1064 нм; мощность излучения – 10 и 20 Вт, режимы излучения – непрерывный, квазинепрерывный и импульсный) показали, что аппарат на 810 нм хорошо зарекомендовал себя при операциях на тканях с развитой сосудистой системой; аппарат на 980 нм обладает более выраженным режущим эффектом мягких тканей; аппарат на 1064 нм имеет наилучшие коагулирующие свойства (рис. 12).

Цель работы: изучить устройство, принцип работы и характеристики лазерного излучения и его применение.

Описание установки

Приборы и принадлежности: лазер (ОКГ - 13), оптическая скамья, держатель, экран, штангенциркуль.

Рис. 13. Схема установки: 1. − разрядная трубка, ОКГ-13; 2. − блок питания и управления; 3. − экран; 4. − оптическая скамья.

Порядок выполнения работы:

1 .Установить ручку тока анода на блоке питания 10 мА.

2. Включить блок питания.

3. Прогреть разрядную трубку в течении 5-10 мин.

4. Включить разряд кнопкой пуск.

5. Измерить диаметр d лазерного луча штангенциркулем при L = 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5. Диаметр d измерять на уровне 05 от максимальной интенсивности луча J_макс

6. Построить график зависимости d от L.

7. По углу наклона графика определить угол расхождения луча α = (рад).

Сделать вывод о расходимости угла луча лазера.

Контрольные вопросы

1. Свойства и характеристика лазерного излучения. Применение лазеров.

2. Спонтанное и вынужденное (индуцированное) излучение.

3. Инверсная заселенность энергетических уровней.

4. Устройство лазера. Разобрать общую схему оптического квантового генератора. Основные элементы – активная среда, резонатор, устройство накачки: объяснить, что они собой представляют, для чего служат.

5. Устройство и принцип действия твердотельного (рубинового) лазера.

6. Устройство и принцип действия газового (гелий-неонового) лазера.

7. Устройство и принцип действия полупроводникового лазера.

8. Решить задачу.

Литература

1. Алешкин В. Я. Полупроводниковый лазер с выводом излучения через подложку с улучшенными энергетическими характеристиками и сверхузкой диаграммой направленности // В. Я. Алешкин и др. // Квантовая Электроника. – 2010. – т. 40 – с. 855–857.

2. Бутиков Е. И. Оптика. / Е. И. Бутиков. – С.-Пб.: Лань, 2012. – 608 с.

3. Грабовский Р. И. Курс физики: учебник для сельскохозяйственных институтов. / Р. И. Грабовский. – С.-Пб.: Лань, 2009. – 608 с.

4. Детлаф А. А. Курс физики: учебное пособие для втузов. / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – М.: Высшая школа, 2000. – 718 с.

5. Некоркин С. М. Модовая структура в дальнем поле излучения многоямного лазера с выходом излучения через подложку / С. М. Некоркин и др. // Квантовая Электроника. – 2012. – т. 42. – с. 931–933.

6. Портной Е. Л. Полупроводниковые лазеры – первое десятилетие. / Е. Л. Портной. // Полупроводниковые лазеры: физика и технология: Материалы 3-го симпозиума, Санкт-Петербург, 13-16 ноября 2012 г. – СПб: ФТИ им. А. Ф. Иоффе, 2012. – с. 15.

7. Савельев И. В. Курс общей физики: учеб. пособие для студентов вузов / И. В. Савельев. - 2-е изд., перераб. - М.: Наука, 1982. - 3 т.

8. Степанова В. А. Физика. Волновая и квантовая оптика. – МИСИС. – 2012. – 51 с.

9. Трофимова Т. И. Краткий курс физики: учебное пособие для вузов. / Т. И. Трофимова. – М.: Академия, 2006. – 560 с.

Интернет-ресурсы

Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов:

Рис. 10. Структура полупроводниковых лазеров

Лазерные диоды

Области применения полупроводниковых лазеров:

Цель работы: изучить устройство, принцип работы и характеристики лазерного излучения и его применение.

Описание установки

Приборы и принадлежности: лазер (ОКГ - 13), оптическая скамья, держатель, экран, штангенциркуль.

Порядок выполнения работы:

1 .Установить ручку тока анода на блоке питания 10 мА.

2. Включить блок питания.

3. Прогреть разрядную трубку в течении 5-10 мин.

4. Включить разряд кнопкой пуск.

6. Построить график зависимости d от L.

7. По углу наклона графика определить угол расхождения луча α = (рад).

Сделать вывод о расходимости угла луча лазера.

Контрольные вопросы

1. Свойства и характеристика лазерного излучения. Применение лазеров.

2. Спонтанное и вынужденное (индуцированное) излучение.

3. Инверсная заселенность энергетических уровней.

5. Устройство и принцип действия твердотельного (рубинового) лазера.

6. Устройство и принцип действия газового (гелий-неонового) лазера.

7. Устройство и принцип действия полупроводникового лазера.

8. Решить задачу.

Литература

2. Бутиков Е. И. Оптика. / Е. И. Бутиков. – С.-Пб.: Лань, 2012. – 608 с.

4. Детлаф А. А. Курс физики: учебное пособие для втузов. / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – М.: Высшая школа, 2000. – 718 с.

8. Степанова В. А. Физика. Волновая и квантовая оптика. – МИСИС. – 2012. – 51 с.

9. Трофимова Т. И. Краткий курс физики: учебное пособие для вузов. / Т. И. Трофимова. – М.: Академия, 2006. – 560 с.

Лазерный диод -- это на самом деле вон та тоненькая палочка, к которой тянутся золотые провода. Маленький кубик левее -- защитный диод, спасающий лазерный диод от импульсов обратного напряжения

Радиолюбители часто пытаются с той или иной степенью успешности использовать в своих конструкциях полупроводниковые лазерные излучатели видимого и ИК спектра. Лазерный диод внешне кажется довольно простым полупроводниковым прибором. Ему не нужно ни высоких напряжений, ни колоссальных токов. Он на первый взгляд похож на светодиод: пропустил через него ток — получил на выходе излучение. Тем не менее, в использовании полупроводниковых лазеров кроется некоторое количество подводных камней, игнорирование которых ведет прежде всего к снижению их надежности, к быстрой деградации выходной мощности и качества пучка, а нередко и к мгновенному выходу из строя еще до первого включения. В этой статье я хотел бы обратить на эти подводные камни внимание.

Почти светодиод

Структура лазерного диода напоминает обычный светодиод, и в сущности им же и является. Двойная гетероструктура, гетероструктура с квантовыми ямами и квантовыми точками — все эти типы светоизлучающих полупроводниковых структур применяются и в современных высокоэффективных светодиодах. Задачи у этих структур в светодиоде и лазере отличаются: в первом нужно за счет рекомбинации получить излучение само по себе, во втором — инверсную заселенность, превращающую полупроводник в активную среду, усиливающую свет. Тем не менее, решаются они почти одинаково. Первые полупроводниковые лазеры, созданные в 1962 году американцами Робертом Холлом и Ником Холоньяком и советскими учеными Николаем Басовым, Олегом Крохиным и Юрием Поповым, были сделаны на основе обычного pn-перехода на арсениде галлия, излучающего свет в ближней инфракрасной области, и на арсениде-фосфиде галлия -- видимый красный свет. Из-за низкой эффективности такие лазеры работали лишь при чудовищной плотности тока, только в импульсном режиме и при охлаждении до криогенных температур, что не только спасало кристалл от расплавления, но и повышало эффективность преобразования энергии тока в энергию возбужденных состояний и удлиняло время их жизни, что облегчало получение инверсной заселенности.

На этом рисунке (из Нобелевской лекции Жореса Алферова) приведен пример схемы строения активной зоны типичного современного лазерного диода, включающего квантовую яму из нелегированного высокоомного арсенида галлия и гетероструктурную сверхрешетку из тончайших (доли нанометра) слоев полупроводников с различной шириной запрещенной зоны, а также слои с более высоким показателем преломления, обеспечивающие удержание света в активной зоне.

А чтобы превратить светодиод в лазер, не хватает самой малости. Имя ей —

Оптический резонатор

Размеры активной зоны на основе полупроводникового кристалла чрезвычайно малы и встроить его в традиционный оптический резонатор из зеркал и линз было бы очень сложно, а еще сложнее — отъюстировать эту оптическую схему. Тем не менее, первый лазерный диод был создан практически сразу же после изобретения светодиода, и помогло в этом полезное свойство кристаллов арсенида галлия — совершенная спайность. Этим понятием называют способность некоторых кристаллов легко раскалываться по параллельным плоскостям, совпадающим с определенными кристаллографическими гранями. Если кристалл совершенен, имеет низкую плотность дислокаций и лишен блочного, мозаичного строения, эти сколы совершенно плоски, атомно гладки (за исключением отдельных ступеней) и абсолютно параллельны друг другу. А в силу высокого показателя преломления эти грани хорошо отражают свет. Эти два параллельных скола, перпендикулярные плоскости активной зоны диода, и образуют резонатор. Оптические свойства двойной гетероструктуры, являющейся по сути волноводом, способствуют снижению потерь света в резонаторе. В современных лазерных диодах волновод формируют в кристалле умышленно, вводя дополнительные слои с более высоким показателем преломления относительно активного слоя.

В типичном лазерном диоде толщина активной зоны, в которой происходит генерация света, лежит в субмикронной области. А ее ширина может составлять от единиц микрон в маломощных (от долей милливатта до 100-200 мВт) одномодовых лазерах, до 250-1000 мкм в многомодовых излучателях с выходной мощностью, достигающей десятка ватт. И на выходе из кристалла, на зеркале резонатора, плотность мощности достигает чудовищных значений. Даже в обычной лазерной указке, при выходной мощности 1-5 мВт это свыше 100 кВт/см 2 , а в более мощных лазерных диодах плотность излучения может превышать 20МВт/см 2 . При такой облученности легко испаряется и превращается в плазму сталь, а грань кристалла выдерживает ее исключительно в силу своего идеального совершенства, из-за которого световая энергия большей частью проходит через поверхность, не поглощаясь и не нагревая ее.

Катастрофа на зеркалах

Столь высокие уровни плотности излучения на зеркалах делают их чрезвычайно уязвимыми. Стоит возникнуть малейшему дефекту, нанощербинке размером в несколько параметров решетки,-- буквально, сместиться нескольким атомам — и лучевая прочность зеркала резко упадет. Вырвать атом из атомно-гладкой поверхности сложно, его держат связи, образованные множеством других атомов, но стоит удалить один, соседние оторвать становится гораздо проще. Кроме того, дефект поглощает свет и греется, а его рост приводит к усилению нагрева, в результате чего он лавинообразно разрастается, превращаясь в кратер, перекрывающий значительную часть сечения пучка, а то и канал, уходящий вглубь кристалла и разрушающий, сплавляющий структуру активной зоны, и лазер выходит из строя, что проявляется скачкообразным прекращением генерации, а иногда — резким падением излучаемой мощности, при этом пучок становится неоднородным, пятнистым. Такой механизм называется катастрофическим оптическим повреждением (COD — Catastrophic optical damage).

Важно то, что для возникновения зародыша достаточно превышения мощности на несколько наносекунд. И раз начавшись, COD будет развиваться, даже если превышение допустимой мощности излучения не будет продолжаться, при номинальной и даже пониженной мощности.

Конечно, существуют и другие сценарии гибели лазерного диода — как в виде постепенной деградации, так и катастрофической — связанные с образованием скоплений дислокаций, так называемых "темных нитей" в толще активной зоны, с термодиффузионным "размытием" гетеропереходов, с термическим разрушением активной зоны протекающим через нее током. Но во многих случаях именно COD является лимитирующим фактором, определяющим "точку выхода из строя". Не в последнюю очередь это связано со скоростью его развития: кратковременный, наносекундной длительности, запредельный бросок излучаемой мощности может быть обусловлен переходными процессами при включении или выключении, и даже слабым разрядом статического электричества. Из-за этого лазерные диоды, особенно маломощные, являются одними из наиболее подверженных статическому электричеству компонентов.

И способствует этому еще одно свойство лазерных диодов.

Дважды нелинейность

И начинающему радиолюбителю известно, что светодиод нельзя подключать к источнику напряжения. Крутая прямая ветвь ВАХ приводит к резким изменениям тока при небольших колебаниях напряжения, изменениях температуры, в том числе и при саморазогреве. ВАХ лазерного диода совершенно аналогична, но это усугубляется тем, что зависимость выходной мощности от тока тоже очень напоминает прямую ветвь ВАХ: до определенного порогового тока выходная мощность очень мала (лазерный диод светится, как светодиод, генерации нет), а после его достижения выходная мощность стремительно растет, взлетая от нуля до максимально допустимой мощности при изменении тока на 20-30%. А если это помножить на крутизну ВАХ, окажется, что росту мощности от нуля до предельно допустимой величины зачастую соответствует изменение напряжения на единицы процентов!

Ну хорошо, никто не будет питать лазерный диод прямо от батарейки. Даже в дешевой китайской указке он будет включен через резистор, а в любой серьезной конструкции для его питания будет предусмотрен стабилизатор тока. Но является ли такой стабилизатор на самом деле источником тока, или это источник напряжения, которое с помощью цепи обратной связи регулируется так, чтобы поддерживать ток неизменным?

Какая разница? — спросите вы. А вот какая. Если мы возьмем операционный усилитель и охватим его обратной связью по напряжению на токоизмерительном резисторе, мы получим, казалось бы, практически идеальный источник тока. Но на самом деле выход ОУ — это источник напряжения. И источником тока его делает активная работа ОУ. Как только ОУ не успевает — источник тока перестает быть таковым. В частности, когда эту схему включают, на фронте может образоваться выброс, и это будет выброс напряжения. Соответствующий ему бросок тока на нелинейной нагрузке окажется значительно выше, не говоря уже о выбросе излучаемой лазером мощности.

Температура

Не следует забывать о том, что у лазерного диода выходная мощность зависит не только от тока, но и от температуры. Причем, она может неожиданно сильно вырасти при ее понижении, если мы не снизим при этом ток! При падении температуры падает и пороговый ток — в среднем на 1,5% на °С, а вместе с ним ампер-ваттная характеристика смещается влево параллельно самой себе, -- так что падение температуры с 25 до -5°С эквивалентно увеличению тока в полтора раза. Чтобы снизить нестабильность выходной мощности и избежать выхода лазера из строя при снижении температуры, нужно либо вводить термокомпенсацию, либо воспользоваться встроенным в корпус излучателя фотодиодом для стабилизации выходной мощности. При этом нужно учитывать, что большинство производителей лазерных диодов никак не нормируют и не гарантируют ни характеристики этого фотодиода, ни его стабильность.

Есть еще другой путь — термостатирование. Обычно его делают с помощью маленькой термоэлектрической батареи-холодильника, встраиваемой непосредственно в корпус лазерного диода вместе с терморезистором. Так поступают обычно в том случае, если нужно стабилизировать не только мощность, но и длину волны излучения, которая тоже зависит от температуры (например, это важно при накачке неодим-ванадат-иттриевого лазера — полоса возбуждения узкая, а у лазерного диода на 808 нм в диапазоне 0-30°С длина волны "уходит" на 10 нм), а также когда имеют дело с мощными лазерами, когда сложно организовать обратную связь по излучению, да и снизить рабочую температуру полезно — и для срока службы, и для КПД.

Как бороться?

Цепь защиты ЛД, срисованная с внутренностей одного из научных приборов, который мне приходилось ковырять. Лазерный диод, к которому наглухо припаяна эта схема, можно спокойно отключить от драйвера, не боясь, что в висящий в воздухе разъем прилетит статика.

Какой же выход? Проектировать драйвер таким образом, чтобы избежать бросков напряжения, тока накачки и, следовательно, мощности. Запирать выход на время переходных процессов при включении (например, закорачивая лазерный диод нормально замкнутым ключом), при возможности, если не нужна быстрая модуляция излучения, организовывать плавный старт, вводить балластное сопротивление между выходом драйвера и лазерным диодом, либо элементы, замедляющие нарастание напряжения на нем и тока — RC-цепочку, последовательную индуктивность. Если нужно запустить лазерный диод на столе, от лабораторного БП — следует включить последовательно с ним балластное сопротивление на 10-100 Ом (в зависимости от рабочего тока излучателя), а параллельно диоду — малоиндуктивный конденсатор на 0,01 мкФ. Удобно также ввести в эту цепь резистор на 1 или 10 Ом для измерения тока, протекающего в цепи. При этом недопустимо подключать эту схему к уже включенному блоку питания. Сначала следует вывести напряжение в ноль, а затем плавно, контролируя ток в цепи и выходное излучение, поднять напряжение сначала до порога генерации, а затем до достижения нужной выходной мощности. Выключаем в обратном порядке. При этом нужно убедиться в том, что регуляторы ЛБП не дают "шорохов" при регулировании. В этом смысле лучше подходят цифровые программируемые ЛБП, но и их надо проверять на наличие "иголок" при переходе на следующий уровень напряжения.

Важным моментом является и измерение выходной мощности. "На глаз" ее не определишь, а ошибка приведет к тому, что лазерный диод быстро, за несколько часов или дней, или даже моментально — придет в негодность. Существуют специальные измерители мощности лазерного излучения — от старого советского ИМО-2Н — хорошего, точного, но чересчур громоздкого, до современных приборов различных производителей, цена которых вызывает в памяти отрывок из известной книги для начинающих радиолюбителей:

Н. — Просто чудесное устройство. Я немедленно куплю себе стробоскопический осциллограф.
Л. — Я советую тебе несколько повременить, потому что сейчас такой осциллограф стоит в 2–3 раза дороже спортивного автомобиля.
Н. — Пока я довольствуюсь самой маленькой микролитражкой и поэтому немного подожду.

Впрочем, сделать, а главное — откалибровать подобный измеритель в домашних условиях не составляет большого труда. Его основа — обыкновенный элемент Пельтье. Его нужно закрепить на радиаторе, зачернить поверхность, на которую будет падать излучение, и подключить к хорошему милливольтметру. Для калибровки к чувствительной поверхности временно приклеиваются несколько SMD-резисторов, через которые пропускается известный ток, и строится градуировочная зависимость термо-ЭДС от мощности, рассеиваемой на них. Но это тема отдельной статьи. А из промышленных приборов самым доступным, пожалуй, является Sanwa LP1, сделанный на базе фотодиода и по этой причине требующий обязательного введения поправки, зависящей от длины волны излучения. Его предельная измеряемая мощность невысока — 40 мВт. С другой стороны, самодельный измеритель на базе элемента Пельтье начинает хорошо работать при падающей мощности не менее пары-тройки десятков милливатт.

И последнее: я выше упоминал, что лазерные диоды — одни из самых чувствительных к статическому электричеству приборов. Импульс тока при статическом разряде — короткий, десятки наносекунд, но в пике может достигать десятков и сотен миллиампер. Так, при статическом потенциале всего 30 В на человеческом теле он в неблагоприятных условиях (влажные руки) доходит до 50-60 мА, чего достаточно для надежного вывода из строя пятимилливаттных лазеров с рабочим током в 20-30 мА. Потенциала в 200-300 В хватает, чтобы спалить таким путем и лазер из DVD-RW привода. Наличие COD-механизма воздействия статики не отменяет чувствительности к электростатическим разрядам структуры, состоящей из множества слоев, среди которых есть слои толщиной в единицы нанометров. Поэтому храним ЛД в антистатической таре — проводящей пене, фольге и т.п., перед монтажом — перемыкаем выводы проволочкой, пользуемся только заземленным паяльником и т.п.

Немного практических схем

Простая схема драйвера для лазерных диодов, стабилизирующего ток, была опубликована в журнале "Радио", 1986, №11, с. 61 в статье об использовании лазерных диодов серии ИЛПН. Я привожу эту схему так, как она опубликована и скажу лишь то, что она легко адаптируются к современным ОУ, в том числе с однополярным питанием. Здесь хорошо работает, например, мой любимый ОУ AD8605. Приведенная там же схема драйвера со стабилизацией выходной мощности рассчитана на подключение внешнего фотодиода (встроенные в лазерные диоды фотодиоды имеют, как правило, один общий вывод с лазерным диодом) и, по-видимому, содержит ошибки.

Существуют удобные, но к сожалению, дороговатые микросхемы серии iC-WK для построения драйверов лазерных диодов, требующие лишь нескольких внешних элементов и содержащие не только цепи стабилизации тока и мощности, но и цепи защиты от опасных импульсов. Схема позволяет подключать лазерные диоды с любой полярностью фотодиода относительно лазерного диода и обеспечивает ток до 350 мА при напряжении питания от 3 до 15 В.

Кстати, примененные здесь и в iC-WK выходные каскады, построенные, как токовое зеркало, устраняют вышеописанное поведение источников тока во время переходных процессов, как источников напряжения, повышая надежность лазера, в том числе в процессе быстрой модуляции излучения.

Не у всех лазерных диодов "живучесть" ограничивается выходной мощностью. Некоторые диодные лазеры обладают столь малой дифференциальной эффективностью (наклоном ампер-ваттной характеристики), что они не достигают порога COD раньше, чем выйдут из строя от перегрева слишком большим током. Таковы многие зеленые лазерные диоды на 520 нм, некоторые мощные синие лазерные диоды. В меньшей степени подвержены COD из-за большой площади зеркал резонатора и VCSEL лазеры. Но у большинства распространенных типов полупроводниковых лазеров именно выходная оптическая мощность ограничивает область безопасной работы в непрерывном режиме.

Презентация на тему: " Светодиоды и полупроводниковые лазеры Выполнили: Ларькин И. Бугров П." — Транскрипт:

1 Светодиоды и полупроводниковые лазеры Выполнили: Ларькин И. Бугров П.

3 Прямозонные и непрямозонные полупроводники Зонная диаграмма непрямозонного полупроводника - электроны - дырки

4 Светодиоды Светодиодом, или излучающим диодом, называют полупроводниковый прибор (p-n переход), излучающий кванты света при протекании через него прямого тока. По характеристике излучения излучающие диоды делятся на две группы: – –с излучением в видимой части спектра – светодиоды; – –с излучением в инфракрасной части спектра - диоды ИК- излучения. Светодиоды выпускаются красного, оранжевого, зеленого, желтого, голубого, фиолетового, белого цветов свечения, а также с переменным цветом свечения. Светодиоды чаще всего используют как индикаторные устройства. Поскольку глаз чувствителен только к свету с энергией hv~1.8 эВ (~0.7 мкм), то полупроводники, которые могут быть использованы для создания светодиодов видимого диапазона, должны иметь ширину запрещённой зоны больше этого значения. На практике наибольший интерес представляет GaAs(1-x)Px.

5 Светодиоды Диаграмма хроматичности Диаграмма показывает соотношение между тремя основными компонентами цвета (красный, зеленый, синий), необходимыми для получения заданного цвета.

6 Светодиоды Энергетическая зонная структура GaAs(1-x)P(x). Значение состава соответствует цветам: х=0,4 – красному; х=0,65 – оранжевому; х=0,85 – желтому; х=1,0 – зеленому.

7 Светодиоды Спектральные характеристики светодиодов изготовленных из различных материалов

8 Светодиоды Принцип действия Принцип действия светодиода основан на излучательной рекомбинации инжектированных носителей в прямосмещенном p-n переходе, где Lp - диффузионная длина (~250 мкм).

9 Светодиоды Среди светодиодных структур основной является структура с плоской геометрией. Обычно прямозонные светодиоды (красное излучение) формируются на подложках GaAs (а), тогда как непрямозонные (оранжевое, жёлтое и зелёное излучения) - на подложках GaP (б). При использовании подложки GaAs на неё наращивается переходный слой GaAs(1-x)Px переменного состава с х, изменяющимся в пределах , а затем слой GaAs(1-x)Px с постоянным составом.

10 Светодиоды Фотоны, генерируемые в области перехода, испускаются во всех направлениях, однако наблюдателя достигает лишь та их часть, которая проходит через поверхность. Уменьшение количества излучаемых светодиодом фотонов обусловлено поглощением в материале светодиода, потерями за счёт отражения и потерями за счёт полного внутреннего отражения. Потери, связанные с поглощением, весьма существенны в светодиодах на подложках GaAs (а), т.к. в этом случае подложка поглощает примерно 85% фотонов, излучаемых переходом. В светодиодах на подложках GaP (б) поглощение составляет ~25%, и эффективность излучения может быть существенно увеличена.

11 Светодиоды На рисунке показаны поперечные разрезы светодиодов, которые имеют параболическую, полусферическую и усечённо сферическую геометрию.

12 Светодиоды Полная эффективность преобразования электрического сигнала в оптический даётся следующим выражением:

13 Светодиоды Отличием структур с параболической, полусферической и усеченно- сферической геометрией от структур с плоской геометрией является то, что в у первых, из перечисленных выше, телесный угол равен 1. Таким образом отношение эффективностей равно: Диаграмма направленности красного светодиода АЛ112

14 Светодиоды Инфракрасные светодиоды Областями применения диодов ИК-излучения являются оптронные устройства коммутации, оптические линии связи, системы дистанционного управления. Наиболее распространённый в настоящее время инфракрасный источник - это светодиод на основе GaAs. Он обладает наибольшей эффективностью электролюминесценции в основном благодаря тому, что среди всех прямозонных полупроводников GaAs является технологически наиболее освоенным. Для изготовления инфракрасных светодиодов используются многие другие полупроводники, имеющие запрещённую зону шириной менее 1,5 эВ. К ним относятся твёрдые растворы, в состав которых входят три или четыре элемента III и V групп периодической системы(GaInAsP).

15 Светодиоды Светодиоды на соединениях нитрида галия Голубой светодиод с двойной гетероструктурой Зеленый светодиод с квантовой ямой

16 Светодиоды Примеры светодиодов

17 Полупроводниковые лазеры Полупроводниковым лазером называют оптоэлектронное устройство, генерирующее когерентное излучение при пропускании через него электрического тока. Полупроводниковым лазером называют оптоэлектронное устройство, генерирующее когерентное излучение при пропускании через него электрического тока. Полупроводниковые лазеры, подобно другим лазерам (таким, как рубиновый лазер или же лазер на смеси He - Ne), испускают излучение, когерентное в пространстве и во времени. Это означает, что излучение лазера высоко монохроматично (имеет узкую полосу спектра) и создает строго направленный луч света. Вместе с тем по ряду важных характеристик полупроводниковые лазеры существенно отличаются от лазеров других типов.

18 Полупроводниковые лазеры 1. В обычных лазерах квантовые переходы происходят между дискретными энергетическими уровнями, тогда как в полупроводниковых лазерах переходы обусловлены зонной структурой материала. 2. Полупроводниковые лазеры имеют очень малые размеры (~0,1 мм в длину), и так как активная область в них очень узкая (~1 мкм и меньше), расхождение лазерного луча значительно больше, чем у обычного лазера. 3. Пространственные и спектральные характеристики излучения полупроводникового лазера сильно зависят от свойств материала, из которого сделан переход (таких свойств, как структура запрещенной зоны и коэффициент преломления). 4. В лазере с р-n переходом лазерное излучение возникает непосредственно под действием тока, протекающего через прямосмещенный диод. В результате система очень эффективна, поскольку позволяет легко осуществлять модуляцию излучения за счет модуляции тока. Так как полупроводниковые лазеры характеризуются очень малыми временами стимулированного излучения, модуляция может проводиться на высоких частотах. 1. В обычных лазерах квантовые переходы происходят между дискретными энергетическими уровнями, тогда как в полупроводниковых лазерах переходы обусловлены зонной структурой материала. 2. Полупроводниковые лазеры имеют очень малые размеры (~0,1 мм в длину), и так как активная область в них очень узкая (~1 мкм и меньше), расхождение лазерного луча значительно больше, чем у обычного лазера. 3. Пространственные и спектральные характеристики излучения полупроводникового лазера сильно зависят от свойств материала, из которого сделан переход (таких свойств, как структура запрещенной зоны и коэффициент преломления). 4. В лазере с р-n переходом лазерное излучение возникает непосредственно под действием тока, протекающего через прямосмещенный диод. В результате система очень эффективна, поскольку позволяет легко осуществлять модуляцию излучения за счет модуляции тока. Так как полупроводниковые лазеры характеризуются очень малыми временами стимулированного излучения, модуляция может проводиться на высоких частотах.

19 Полупроводниковые лазеры Материалы для полупроводниковых лазеров В качестве материалов, используемых в полупроводниковых лазерах применяются полупроводники с прямой запрещенной зоной. Это обусловлено тем, что излучательные переходы в прямозонных полупроводниках представляют собой процесс первого порядка и вероятность переходов высока. В полупроводниках с непрямой зоной излучательная рекомбинация выступает как размер второго порядка, так что вероятность излучательных переходов существенно ниже. Кроме того, в непрямозонных полупроводниках при увеличении степени возбуждения, потери, связанные с поглощением излучения на инжектированных свободных носителях, возрастают быстрее, чем усиление.

20 Полупроводниковые лазеры Принцип работы лазера Е2 Е1 Е2 Е1 Е2 hν Поглощение Спонтанное излучение Стимулированное излучение (в фазе) hν

21 Полупроводниковые лазеры Виды полупроводниковых лазеров: 1. На гомопереходе; 1. На двойном гетеропереходе.

22 Полупроводниковые лазеры На гомопереходе: p Efn Eg Eg n p ΔE Efn n В отсутствии смещения При смещении в прямом направлении акт. обл

23 Полупроводниковые лазеры Структура лазера на гомопереходе:

24 Полупроводниковые лазеры Зонные диаграммы на гетеропереходе: а – чередование слоев в лазерной двойной n-p-p+ гетероструктуре б – при нулевом напряжении в – в активном режиме генерации лазерного излучения

25 Полупроводниковые лазеры Приборная реализация лазерного диода: В этом лазерном диоде реализованы два перехода между различными материалами. Лазер получил возможность работать при комнатной температуре. Пороговый ток около 50 мА, КПД до 60%.

26 Полупроводниковые лазеры Пороговая плотность тока Т, К 5* Пороговая плотность тока, А/см 2 Гомоструктура Структура с одним гетеропереходом (d=5мкм) Двойная гетероструктура (d=0,5мкм) Для гомоструктур пороговая плотность тока быстро увеличивается с ростом температуры. При комнатной температуре она составляет 5*10 4 A/см2. Здесь приведена зависимость J th от рабочей температуры для трех лазерных структур. Самая слабая зависимость наблюдается для лазеров на двойных гетероструктурах. J th в ДГ-лазерах при 300К может достигать значений порядка 10 3 А/см2 и менее.

27 Полупроводниковые лазеры Применение: Оптоэлектроника Системы записи и считывания информации. Считывающие головки в компакт-дисковых системах, оптические диски для ПЗУ и ОЗУ. Волоконно-оптическая связь (GaAs). В будущем, будет использован лазер на четверном сплаве InGaAsP с большим сроком службы (около 5×105 часов). Ультраширокополосный полупроводниковый лазер (Bell Labs). Оптические коммуникации. Чувствительные химические детекторы. Анализаторы дыхания и загрязнения атмосферы. Каскадные лазеры. В физико-техническом института им.А.Ф.Иоффе получены лазеры с рекордными мощностными характеристиками. Достигнута выходная плотность мощности 40 МВт/см2. Предыдущий рекорд для всех типов лазерных диодов - 19 МВт/см2. КПД - 66 %. И другое

Волоконно-оптические системы передачи

3 Источники оптического излучения для систем передачи

3.1 Требования к излучателям

Источник оптического излучения, излучатель – прибор, преобразующий электрическую энергию возбуждения в энергию оптического излучения заданного спектрального состава и пространственного распределения. Источники оптического излучения должны отвечать определенным требованиям для успешного их применения в системах связи.

Высокая эффективность преобразования энергии возбуждения в энергию излучения.
Узкая спектральная полоса излучения.
Направленность излучения. Концентрация излучения на малой площади, характеризуемая показателем интенсивности (3.1)

где n – показатель преломления, с – скорость света, Е – напряженность светового поля [В/см].

Быстродействие при модуляции, т.е. быстрое возникновение и гашение излучения.
Совместимость с приемниками излучения и физическими средами передачи.
Когерентность излучения.
Миниатюрность и жесткость исполнения.
Высокая технологичность и низкая стоимость.
Длительный срок службы (не менее 10 5 часов)
Высокая устойчивость к различным перегрузкам (механическим, тепловым, радиационным).
Возможность перестройки частоты излучения.

Указанным требованиям в большой степени отвечают некоторые типы излучателей:

светоизлучающие полупроводниковые диоды (СИД);
инжекционные полупроводниковые лазерные диоды (ППЛ);
твердотельные лазеры;
волоконные лазеры.

В отдельных случаях применение могут найти малогабаритные газовые лазеры.
Светоизлучающий прибор является центральным прибором в составе передающего оптического модуля.

3.2 Светоизлучающие диоды. Конструкции, принцип действия, основные электрические и оптические характеристики

Светодиод (СИД) представляет собой полупроводниковый прибор с p - n переходом, протекание электрического тока через который вызывает интенсивное спонтанное излучение. Известно много конструкций СИД, однако наибольшее применение получили поверхностные и торцевые СИД.

3.2.1 Конструкции светодиодов для оптической связи

В технике оптической связи наибольшее применение получили две конструкции СИД: поверхностный (рисунок 3.1) и торцевой (рисунок 3.2).

Рисунок 3.1 Конструкция поверхностного светодиода

В поверхностном светодиоде волоконный световод присоединяется к поверхности излучения через специальную выемку в полупроводниковой подложке. Такой способ стыковки СИД и стекловолокна обусловлен необходимостью ввода максимальной мощности спонтанного излучения в световод.

Рисунок 3.2 Конструкция торцевого светодиода

В конструкции торцевого светодиода предусмотрен вывод оптической мощности излучения через один из торцов. При этом другой торец выполнен в виде зеркала, которое отражает фотоны в активный слой. В приборе применяются дополнительные слои полупроводникового материала GaAlAs, который отличается от активного слоя показателем преломления и шириной запрещенной зоны. Это создает в активном слое оптический волновод, способствующий концентрации фотонов и усилению бегущей волны в инверсной насыщенной зарядами среде. Светоизлучающий торец СИД согласуется с волоконным световодом линзовой системой.

3.2.2 Принцип действия светодиодов

Работа светодиодов основана на случайной рекомбинационной люминесценции избыточных носителей заряда, инжектируемых в активную область светодиода. В результате инжекции не основных носителей заряда и дрейфа основных в активном слое происходит накопление и рекомбинация этих зарядов с выделением квантов энергии, которые примерно соответствуют ширине запрещенной зоны активного слоя:

При этом фотоны (кванты энергии), случайно образовавшиеся, могут двигаться в любом случайном направлении, отражаться от границ различных слоев полупроводников, поглощаться кристаллами и излучаться с поверхности (рисунок 3.1) или из торца (рисунок 3.2). Величина излучаемой мощности СИД примерно линейно зависит от величины тока инжекции. Благодаря некоторым вышеперечисленным особенностям конструкции торцевого СИД в нем может происходить образование небольшого числа стимулированных, вынужденных и, естественно, когерентных фотонов. Это способствует увеличению общей мощности излучаемой энергии с концентрацией в пространстве. По этой причине торцевые СИД называются слабокогерентными источниками света или суперлюминесцентными диодами (СЛД).

3.2.3 Основные характеристики светодиодов

Ваттамперная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от тока, протекающего через прибор (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 Ваттамперные характеристики светодиодов

Характеристики имеют линейный и нелинейные участки. Нелинейность обусловлена предельными возможностями по спонтанной рекомбинации электронов и дырок и их ограниченным числом, зависящим от насыщенности примесными компонентами и общего объема активного слоя.
Ваттамперная характеристика зависит от температуры кристалла. С ее повышением мощность излучения может значительно снижаться [8].
Спектральная характеристика светодиодов показывает зависимость излучаемой мощности от длины волны излучения (рисунок 3.4)

Рисунок 3.4 Спектральные характеристики светодиодов

По спектральной характеристике можно определить ширину спектра излучения на уровне половинной от максимальной мощности излучения. Ширина спектра СЛД D l ₁ (около 10 ¸ 30 нм), для поверхностного СИД D l ₂ (около 30 ¸ 60 нм) .
Более узкий спектр излучения СЛД объясняется волноводным эффектом и некоторой согласованностью (когерентностью) излучательных рекомбинаций. При этом характер излучения остается спонтанным и ширина спектра определяется разбросом энергетических состояний рекомбинирующих электронов и дырок.
Диаграмма направленности излучения светодиода показывает распределение энергии излучения в пространстве (рисунок 3.5)

Рисунок 3.5 Угловая расходимость излучения

В [3, 8, 13] показано, что эта доля не превышает 2 – 10 %, что обусловлено большими потерями из-за рассеяния мощности внутри прибора и отражением фотонов на границе "полупроводник – воздух" и "полупроводник – световод" из-за различных показателей преломления полупроводника (n = 3,5) и среды (n = 1,5).

3.3 Лазеры. Конструкции, принцип действия, основные электрические и оптические характеристики

3.3.1 Определение лазера

Лазер (LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) – прибор, генерирующий оптическое когерентное излучение на основе эффекта вынужденного, симулированного излучения.
Свойство когерентности излучения лазера предполагает согласованное протекание во времени и пространстве колебательных или волновых процессов. Излучаемая лазером электромагнитная волна называется когерентной, если ее амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация постоянны или изменяются упорядоченно.
Для представления процессов, происходящих в лазере, рассматривается простейшая двухуровневая модель (рисунок 3.6).

Рисунок 3.6 Двухуровневая модель процессов в лазере

В присутствии электромагнитного излучения (фотонов определенной энергии) с подходящей длиной волны в подходящем веществе (газе, жидкости, твердом теле, полупроводнике) могут наблюдаться индуцированные переходы между электронными состояниями: поглощение фотонов, спонтанное излучение фотонов и стимулированное излучение фотонов. При переходе между состояниями электронов с энергией Ev и Ес излучение имеет частоту

т.е. в свободном пространстве наблюдается волна

где h – постоянная Планка, с – скорость света.
При взаимодействии излучения с атомами вещества, находящимися в нижнем энергетическом состоянии, может произойти поглощение квантов излучения (фотонов) и атомы перейдут на верхний энергетический уровень. Спонтанное излучение фотонов может происходить случайно. Когда во взаимодействии с излучением принимает участие возбужденный атом, т.е. находящийся в верхнем энергетическом состоянии, вместо спонтанного излучения может произойти стимулированное излучение. Оно имеет одинаковую частоту и фазу с индуцирующим излучением. Благодаря этому могут быть получены такие характеристики излучения как узкополосность, направленность, возможность модуляции в широкой полосе частот.
Все три вышеуказанных процесса можно связать между собой уравнением Эйнштейна [8, 13]:

где E ( f ) – полная энергия поля фотонов на единицу объема материала;

А₂₁ – коэффициент, определяемый вероятностью спонтанного перехода в единицу времени с уровня Е_С на уровень E_V ;

В₂₁ и В₁₂ – коэффициенты, определяемые вероятностью вынужденного перехода электронов с энергетического уровня Е_С на E_V и наоборот; таким образом, произведение В₁₂ E ( f ) характеризует вероятность поглощения, а произведение В₂₁ E ( f ) – вероятность вынужденного излучения;

N1 и N2 – число возбужденных электронов.
Физический смысл уравнения Эйнштейна можно представить так: левая часть определяет поглощение энергии внешнего фотонного поля в единицу времени, а правая – полную энергию, выделяемую в веществе в виде спонтанного и стимулированного излучения. Условие вынужденного излучения записывается:

При одинаковых В₂₁ и В₁₂ должны быть созданы условия инверсной населенности N2 > N1, что трактуется как необходимость усиления электронов (возбуждение электронов).
Таким образом, для создания условия стимулированного излучения необходимо выполнение неравенства

что свидетельствует о необходимости получения сильного электромагнитного поля (высокой концентрации фотонов) в веществе. Исходя из вышеотмеченного, можно сделать вывод о конструкции лазера (рисунок 3.7).
Для того, чтобы вещество стало источником когерентного излучения, оно должно иметь область с инверсной населенностью (N2 > N1) и связанную с ней область пространства (резонатор), в которой происходит увеличение энергии фотона в единице объема за счет стимулированного излучения (E(f) > 1). Фотонное поле создается отражателями фотонов, образующими резонансную систему.

Рисунок 3.7 Общая конструкция лазера

3.3.2 Определение резонатора для лазера

Что такое резонатор? В широком смысле резонатором называют колебательную систему, в которой возможно накопление энергии электромагнитных, акустических или механических колебаний. В пространственных (объемных) резонаторах могут возбуждаться колебания только определенных длин волн и определенной структуры, образующие стоячую волну. Частоты этих колебаний называются резонансными или собственными частотами резонатора, а колебания модами резонатора.
Резонатор лазера для системы оптической связи должен быть сконструирован таким образом, чтобы в нем сохранялось небольшое число мод, а остальные должны гаситься. Для этого резонаторы делаются открытыми. Пример конструкции резонатора открытого типа (Фабри – Перо) приведен на рисунке 3.8.
Электромагнитные волны, распространяясь вдоль оси резонатора, будут отражаться от зеркал перпендикулярно их поверхности и интерферировать между собой и образуют стоячие волны (моды).

Рисунок 3.8 Резонатор Фабри – Перо

Условие образования стоячих волн записывается:

где m = 1, 2, 3. – число полуволн.
Частотное расстояние между двумя ближайшими колебаниями определяется соотношением

С учетом показателя преломления среды внутри резонатора можно записать:

где n > 1. Также можно показать, что

Открытый резонатор способствует разрежению мод по сравнению с объемным из-за того, что волны, распространяющиеся в резонаторе под углом не слишком малым, после нескольких отражений выходят из резонатора.
Важной характеристикой резонатора является его добротность [13]:

где R – коэффициент отражения зеркал.
Пример: L = 0,5 мм; R = 0,3; n = 3,6; l = 0,85 мкм.
Q = 5787

Для создания инверсной населенности в веществе, помещаемом в резонатор, используются следующие методы: оптическая накачка, газовый разряд, химическая накачка, газодинамическая накачка и другие [3]. В технике оптических систем связи в основном используются полупроводниковые материалы для изготовления лазеров. Источником накачки приборов в этом случае является источник электрического тока. Основу конструкции лазера на полупроводниках составляют гетеропереходы, т.е. слои полупроводников с различными квантовыми и оптическими характеристиками.

3.3.3 Конструкции и принцип действия полупроводниковых лазеров

Известно множество типов конструкций полупроводниковых лазеров. Они подразделяются на простейшие (гомолазеры) и двойной гетероструктуры (ДГС), в которых используются резонаторы Фабри – Перо и электронные полоски (полосковые) с селекцией продольных мод, с распределенной обратной связью (РОС), с распределенными брэгговскими отражателями (РБО), связанно – сколото - составные (С3), с внешней синхронизацией мод и так далее [2, 3, 4, 6, 8, 13, 31, 41, 69, 78]. В рамках ограниченного по объему учебного пособия не представляется возможным рассмотреть достаточно подробно все эти конструкции. Поэтому внимание будет уделено только четырем конструкциям, которые чаще всего применяются в оптических передатчиках систем связи. Это многомодовый лазерный диод полосковой геометрии с резонатором Фабри – Перо (обозначается Ф-П), лазер с распределенной обратной связью и распределенными брэгговскими отражателями (РОС, РБО) и лазер с вертикальным резонатором ЛВР.
Конструкция полоскового лазера Ф-П представлена на рисунке 3.9.
Название "двойная гетероструктура" обозначает, что эта конструкция имеет двойной слой различных по свойствам полупроводников, прилегающих к активному слою, которые отличают эту конструкцию от простейшего лазера [13]. Полупроводниковые слои оболочки имеют меньший показатель преломления, чем у активного слоя. Благодаря этому, в активном слое создается волновой канал с высокой плотностью носителей зарядов и фотонов. Активный слой имеет толщину около 0,1 ¸ 1 мкм. В нем с помощью источника электрического тока создается инверсная населенность. Внутренние поверхности торцов отшлифованы и превращены в зеркала.

Рисунок 3.9 Конструкция полоскового лазера Ф-П с двойной гетероструктурой

Рисунок 3.10 Характеристика лазерной генерации мощности

Точные условия лазерной генерации подробно изложены в [31]. Они основаны на решении системы дифференциальных уравнений, связывающих плотность фотонов и концентрацию носителей заряда в активном слое.
Условия лазерной генерации имеют фазовую составляющую

N = 1, 2, 3.
и амплитудную составляющую

где К _u – коэффициент усиления среды на длине резонатора L, a - коэффициент затухания среды, R – коэффициент отражения (~0,33).
Таким образом, лазер представляет собой оптический квантовый генератор, в котором для возбуждения и поддержания электромагнитных колебаний должны выполняться условия баланса фаз и амплитуд.
Спектральная характеристика лазера определяется размерами резонатора, спектром спонтанного излучения и выполнением условий генерации (рисунок 3.11).

Рисунок 3.11 Спектральная характеристика лазера

Для излучения лазером максимальной мощности необходимо добиться совпадения максимальной мощности спектра спонтанного излучения и собственных мод резонатора. Реальная спектральная характеристика лазера Ф-П представлена на рисунке 3.12
Спектральная характеристика представляет совокупность мод генерации. Ширина спектра оценивается на уровне –3 дБм от максимальной мощности (Рмакс/2).
Излучение лазера, выходящее через торец, характеризуется диаграммой направленности. Угловая расходимость когерентного излучения обусловлена фундаментальными пределами

где А – апертура излучателя, l - длина волны центральной моды.
Для полупроводникового лазера величина угла расходимости оценивается постой формулой:

где d_x и d_y – размер излучающей площадки по горизонтали и вертикали.
Реальный угол расходимости составляет:
j _x ~ 5 ¸ 10 град, j _y ~ 15 ¸ 30 град.

Рисунок 3.12 Спектральная характеристика лазера Ф–П

Необходимо отметить, что характеристики излучения лазера не остаются постоянными. Например, величина порогового тока сильно зависит от температуры тела лазера

где t _i > t₁. На рисунке 3.13 приведены графики зависимости порогового тока лазера от температуры.

Рисунок 3.13 Зависимость порогового тока от температуры лазера

Рисунок 3.14 Конструкция лазера РОС

При этом волна, распространяющаяся вправо, ослабевает в направлении к левому краю, т.к. её энергия перекачивается в волну противоположного направления, интенсивность которой возрастает при сложении отраженных волн в фазе. Т.о. электромагнитное поле в резонаторе РОС можно представить в виде двух волн, распространяющихся в противоположных направлениях. Внутри резонатора могут сохраниться только волны, отражающиеся от гофра под углом Q + p /2 . Это обусловлено селективностью обратной связи, для которой длину волны настройки на отражение в резонаторе вычисляют через условие Брэгга – Вульфа

Λ× n _э×(1+ SinQ ) = I × λ ₀, (3.19)

где L - период гофра, n_Э – эффективный фазовый показатель преломления, l – целое число, l ₀ – длина волны излучения в свободном пространстве. Для Q = p /2 шаг гофра может быть определен :

при этом, как правило, значение l = 1.
Для повышения мощности излучения в одномодовый лазер РОС может быть встроено с одного из торцов зеркало.
Длина волны, обозначенная в (3.20 ) l , называется длиной волны Брэгга. Ей соответствует частота генерации

где L – длина активного слоя с гофром, с – скорость света в свободном пространстве.
Важнейшей характеристикой одномодового лазера РОС является спектр излучения (рисунок 3.15)

Рисунок 3.15 Спектр излучения лазера РОС

Обычно ширина спектра излучения лазера РОС оценивается на уровне –20 дБм от максимального значения мощности. Кроме того, в спектре могут наблюдаться боковые моды, величина подавления которых должна быть не менее 30 дБ.
Одномодовые лазеры РОС являются одними из основных источников излучения для протяженных волоконно-оптических линий.
Лазеры РБО имеют другую конструкцию (рисунок 3.16), в которой активная область излучения находится вне зоны фильтрации моды. Это построение обеспечивает формирование спектральной линии уже, чем у лазера РОС на порядок.

Рисунок 3.16 Конструкция лазера РБО

Характеристики некоторых видов одномодовых и многомодовых полупроводниковых лазеров приведены в таблице 3.1 [79].

Читайте также: