Полупроводниковые лазеры принцип работы. Полупроводниковые лазеры: принцип работы, типы и применение

Как работают полупроводниковые лазеры. Какие бывают типы полупроводниковых лазеров. Где применяются полупроводниковые лазеры в промышленности и медицине. Каковы преимущества и недостатки полупроводниковых лазеров.

Принцип работы полупроводникового лазера

Полупроводниковый лазер представляет собой устройство, генерирующее когерентное излучение за счет вынужденного излучения в полупроводниковом материале. Основными элементами такого лазера являются:

• Активная среда — полупроводниковый p-n переход
• Резонатор — образован зеркальными гранями кристалла
• Источник накачки — инжекция носителей заряда через p-n переход

Принцип работы полупроводникового лазера основан на следующих процессах:

1. При подаче прямого напряжения на p-n переход происходит инжекция электронов и дырок в активную область
2. Рекомбинация носителей заряда сопровождается спонтанным излучением фотонов
3. Фотоны многократно отражаются от зеркальных граней кристалла, проходя через активную среду
4. Происходит вынужденное излучение и усиление света
5. При превышении порога генерации формируется когерентное лазерное излучение

Основные типы полупроводниковых лазеров

Существует несколько основных типов полупроводниковых лазеров:

1. Лазеры на гомопереходе

В этих лазерах активная область формируется на границе однородного p-n перехода. Они имеют высокий порог генерации и применяются редко.

2. Лазеры на двойной гетероструктуре

Активная область с узкой запрещенной зоной помещается между слоями с более широкой запрещенной зоной. Это обеспечивает эффективное ограничение носителей и оптического излучения в активной области.

3. Лазеры с квантово-размерными структурами

Активная область содержит квантовые ямы, проволоки или точки. За счет квантового ограничения достигаются низкие пороговые токи и высокая эффективность.

4. Лазеры с распределенной обратной связью

Имеют встроенную дифракционную решетку, обеспечивающую селекцию мод и генерацию на одной продольной моде.

Преимущества и недостатки полупроводниковых лазеров

Полупроводниковые лазеры обладают рядом важных преимуществ:

• Компактные размеры
• Высокий КПД (до 70%)
• Возможность прямой модуляции излучения током накачки
• Широкий диапазон длин волн генерации
• Низкая стоимость при массовом производстве
• Длительный срок службы

К недостаткам можно отнести:

• Высокую расходимость излучения
• Чувствительность характеристик к температуре
• Многомодовый состав излучения у простых конструкций

Применение полупроводниковых лазеров в промышленности

Полупроводниковые лазеры нашли широкое применение в различных областях промышленности:

Волоконно-оптическая связь

Полупроводниковые лазеры используются как источники излучения в системах волоконно-оптической связи. Почему они хорошо подходят для этого применения?

• Генерируют излучение в областях минимальных потерь оптических волокон (850, 1300, 1550 нм)
• Обеспечивают высокие скорости модуляции (до 50 Гбит/с)
• Имеют малые размеры, что удобно для интеграции в оптические модули

Оптическая запись и считывание информации

В оптических дисководах компакт-дисков, DVD и Blu-ray применяются полупроводниковые лазеры. Какие их свойства важны для этого?

• Малый размер пятна фокусировки позволяет обеспечить высокую плотность записи
• Низкое энергопотребление подходит для портативных устройств
• Разные длины волн (780, 650, 405 нм) для разных форматов дисков

Лазерная печать

Полупроводниковые лазеры применяются в лазерных принтерах для экспонирования фотобарабана. Какие преимущества дает их использование?

• Высокое быстродействие позволяет обеспечить высокую скорость печати
• Компактные размеры упрощают конструкцию принтера
• Длительный срок службы повышает надежность устройства

Применение полупроводниковых лазеров в медицине

В медицине полупроводниковые лазеры нашли применение в следующих областях:

Лазерная хирургия

Полупроводниковые лазеры используются для рассечения и коагуляции тканей. Какие их свойства важны для хирургии?

• Излучение хорошо поглощается биотканями
• Возможность работы в импульсном режиме для точного дозирования энергии
• Компактность и удобство интеграции в медицинские инструменты

Фотодинамическая терапия

Лазерное излучение применяется для активации фотосенсибилизаторов при лечении онкологических заболеваний. Почему для этого подходят полупроводниковые лазеры?

• Генерация излучения в нужном спектральном диапазоне
• Возможность точного контроля мощности и дозы облучения
• Компактность позволяет создавать портативные терапевтические системы

Лазерная диагностика

Полупроводниковые лазеры используются в различных диагностических приборах. Какие их характеристики важны для диагностических применений?

• Монохроматичность излучения для спектроскопических измерений
• Возможность быстрой модуляции для время-разрешенных измерений
• Малая расходимость пучка для создания компактных оптических схем

Перспективы развития полупроводниковых лазеров

Основные направления развития полупроводниковых лазеров включают:

• Освоение новых спектральных диапазонов (глубокий ультрафиолет, средний ИК)
• Повышение мощности излучения
• Улучшение температурной стабильности характеристик
• Создание полупроводниковых лазеров на новых материалах (нитриды, антимониды)
• Разработка лазеров с вертикальным резонатором

Эти разработки позволят расширить области применения полупроводниковых лазеров и улучшить их характеристики для существующих применений.

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.

Тип полупроводника	Длина генерируемой волны, мкм	Режим генерации	Рабочая температура, °C
Арсенид-фосфид галлия	0,6—0,8	Импульсный	—175
Арсенид галлия	0,84	Импульсный и непрерывный	20 и —196
Фосфид индия	0,91	Импульсный и непрерывный	—153 и —253
Арсенид индия	3,1	Импульсный и непрерывный	— 196 и —269

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).

Устройство и принцип работы полупроводникового лазера

1. Условие усиления

Чтобы установить инверсионное распределение носителей в среде возбуждения (активная область), энергия электронов в полупроводнике представлена ​​серией энергетических зон, состоящих из серии почти непрерывных энергетических уровней.

Следовательно, чтобы добиться инверсии числа частиц в полупроводниках, необходимо находиться между двумя областями энергетических зон.

Число электронов в нижней части зоны проводимости в состоянии с более высокой энергией намного больше, чем количество дырок в верхней части валентной зоны в состоянии с более низкой энергией, что достигается путем добавления прямого смещения к гомопереходу или гетеропереходу и инжекция необходимых носителей в активный слой для возбуждения электронов из валентной зоны с более низкой энергией в зону проводимости с более высокой энергией.

Возбужденная эмиссия возникает, когда большое количество электронов в состоянии инверсии числа частиц смешиваются с дырками.

2. Фактически получить соответствующее стимулированное излучение.

Возбужденное излучение должно производиться в оптической резонансной полости, чтобы получить множественную обратную связь и формирование лазерных колебаний.

Резонансная полость лазера формируется с использованием поверхности естественного раствора полупроводникового кристалла в качестве отражателя, обычно с многослойной диэлектрической пленкой с высокой отражающей способностью на неизлучающей стороне и отражающей восстанавливающей пленкой на излучающей стороне.

Для полупроводниковых лазеров с резонатором Fp (резонатор Фабри-Перо) резонатор Fp может быть легко сформирован с помощью естественной плоскости решения кристалла, перпендикулярной плоскости pn-перехода.

3. Для формирования устойчивых колебаний лазерная среда должна обеспечивать достаточно большое усиление.

Чтобы компенсировать оптические потери, вызванные резонансной полостью, и потери, вызванные выходом лазера с поверхности полости и т.д.,

Постоянно увеличивайте оптическое поле в полости.

Для этого требуется достаточно сильная инжекция тока, то есть достаточное изменение числа частиц на противоположное, и чем выше степень изменения числа частиц, тем больше получается усиление, т.е. требование должно соответствовать определенному пороговому условию тока.

Когда лазер достигает порогового значения, свет с определенной длиной волны может резонировать в полости и усиливаться, в конечном итоге формируя лазер и непрерывный выход.

Можно видеть, что в полупроводниковых лазерах дипольный скачок электронов и дырок является основным процессом излучения и усиления света.

Для новых полупроводниковых лазеров теперь признано, что квантовые ямы являются фундаментальной движущей силой для развития полупроводниковых лазеров.

Тема того, могут ли квантовые проволоки и квантовые точки в полной мере использовать квантовые эффекты, была расширена в этом столетии, и ученые пытались создавать квантовые точки из различных материалов с самоорганизованной структурой, в то время как квантовые точки GaInN использовались в полупроводниковых лазерах.

История полупроводниковых лазеров

Полупроводниковые лазеры начала 1960-х годов были лазерами с однородным переходом, которые представляли собой диоды с pn переходом, изготовленные из единого материала.

При прямой сильноточной инжекции электроны непрерывно инжектировались в p-область, а дырки непрерывно инжектировались в n-область.

В результате распределение носителей меняется на противоположное в исходной зоне обеднения pn-перехода, и поскольку скорость миграции электронов выше скорости миграции дырок, в активной зоне происходит излучение и компаундирование, испускающее флуоресценцию, и при определенных условиях лазер происходит, который представляет собой полупроводниковый лазер, который может работать только в виде импульса.

Второй этап развития полупроводникового лазера — это полупроводниковый лазер с гетероструктурой, который состоит из двух различных тонких слоев полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны, таких как GaAs, GaAlAs, первый из которых представляет собой одиночный гетероструктурный лазер (1969 г.).

Инжекционные лазеры на одиночном гетеропереходе в p-зоне перехода GaAsP-N для снижения пороговой плотности тока, значение которой на порядок ниже, чем у лазеров на гомопереходе, но лазеры на одиночном гетеропереходе по-прежнему не могут работать непрерывно при комнатная температура.

С конца 1970-х годов полупроводниковые лазеры явно развивались в двух направлениях: одно — это информационные лазеры для передачи информации, а второе — мощные лазеры для увеличения оптической мощности.

Управляемый такими приложениями, как твердотельные лазеры с накачкой, мощные полупроводниковые лазеры (непрерывная выходная мощность 100 мВт или более, импульсная выходная мощность 5 Вт или более, можно назвать мощными полупроводниковыми лазерами).

В 1990-е гг. Был совершен прорыв, ознаменовавшийся значительным увеличением выходной мощности полупроводниковых лазеров, были внедрены зарубежные мощные полупроводниковые лазеры киловаттного класса, мощность отечественных образцов устройств достигла 600Вт.

Если мы посмотрим на расширение длин волн лазеров, то сначала инфракрасный полупроводниковый лазер, а затем красный полупроводниковый лазер с длиной волны 670 нм в большом количестве применений, а затем внедрение сине-зеленых, синих полупроводниковых лазеров с длинами волн 650 нм, 635 нм. успешно разработали фиолетовые и даже ультрафиолетовые полупроводниковые лазеры мощностью 10 мВт, но также и в интенсивном развитии.

В конце 1990-х было рассмотрено быстрое развитие лазеров с поверхностным излучением и лазеров с вертикальным резонатором для различных применений в ультрапараллельной оптоэлектронике.

Устройства на 980 нм, 850 нм и 780 нм стали применяться в оптических системах.

В настоящее время лазеры с вертикальным резонатором используются в высокоскоростных сетях Gigabit Ethernet.

Применение полупроводниковых лазеров

Полупроводниковые лазеры — это класс лазеров, которые раньше созрели и развивались быстрее благодаря широкому диапазону длин волн, простоте производства, низкой стоимости, легкости массового производства, а также из-за небольшого размера, легкого веса и длительного срока службы.

Таким образом, его разнообразие быстрого развития, диапазон приложений в настоящее время насчитывает более 300 видов.

1. Применение в промышленности и технологиях

1) Волоконно-оптическая связь

Полупроводниковые лазеры — единственный практический источник света для волоконно-оптических систем связи, а волоконно-оптическая связь стала основным направлением современных коммуникационных технологий.

2) Доступ к оптическому диску

Полупроводниковые лазеры используются для запоминающих устройств на оптических дисках, и их самым большим преимуществом является большой объем хранимой звуковой, текстовой и графической информации.

Использование синих и зеленых лазеров может значительно улучшить плотность хранения оптических дисков.

3) Спектральный анализ

Перестраиваемые полупроводниковые лазеры в дальнем инфракрасном диапазоне используются для анализа газов в окружающей среде, мониторинга загрязнения атмосферы, автомобильных выхлопов и т.д.

В промышленности его можно использовать для контроля процесса выпадения паровой фазы.

4) Оптическая обработка информации

Полупроводниковые лазеры используются в оптических системах управления информацией.

Полупроводниковые лазеры с поверхностным излучением 2D-матрицы являются идеальными источниками света для оптических систем параллельной обработки и будут использоваться в компьютерах и оптических нейронных сетях.

5) Лазерное микротехнологии

Полупроводниковые лазеры с модуляцией добротности производят высокоэнергетические сверхкороткие световые ходы для резки и штамповки интегральных схем.

6) Лазерная сигнализация

Сигнализаторы с полупроводниковым лазером используются в широком спектре приложений, включая охранную сигнализацию, сигнализацию уровня воды, сигнализацию расстояния в автомобиле и т. д.

7) Лазерные принтеры

Полупроводниковые лазеры большой мощности используются в лазерных принтерах.

Использование синего и зеленого лазера может значительно улучшить скорость и разрешение печати.

8) Лазерный сканер штрих-кода

Полупроводниковые лазерные сканеры штрих-кода широко используются для мерчендайзинга, а также для управления книгами и файлами.

9) Твердотельные лазеры с накачкой

Это важное применение мощного полупроводникового лазера, его использование вместо оригинальной атмосферной лампы может составить полностью твердотельную лазерную систему.

10) Лазерный телевизор высокой четкости

В ближайшем будущем на рынок могут появиться полупроводниковые лазерные телевизоры без электронно-лучевых трубок, в которых используются красный, синий и зеленый лазеры, и, по оценкам, они потребляют на 20% меньше энергии, чем существующие телевизоры.

2. Применение в медицинских и медико-биологических исследованиях

1) Лечение лазерной хирургии

Полупроводниковый лазер использовался для иссечения мягких тканей, их соединения, коагуляции и вапоризации. Он широко используется в общей хирургии, пластической хирургии, дерматологии, урологии, акушерстве и гинекологии и т.д.

2) Лазерная кинетическая обработка

Фоточувствительные вещества, обладающие сродством к опухолям, избирательно собираются в раковых тканях и облучаются полупроводниковым лазером для образования активных форм кислорода в раковых тканях, направленных на некроз без какого-либо повреждения здоровых тканей.

3) Исследования в области наук о жизни

Использование полупроводникового лазера «оптического пинцета», который может захватывать живые клетки или хромосомы и перемещать их в любое место, использовалось для стимулирования синтеза клеток, взаимодействия клеток и других исследований, а также в качестве диагностического метода для судебной экспертизы.

Лазерный диод | FiberLabs Inc

Введение

Полупроводниковый лазер (LD) — это устройство, которое вызывает лазерную генерацию за счет подачи электрического тока на полупроводник. Механизм излучения света такой же, как у светодиода (LED). Свет генерируется путем пропускания прямого тока к p-n переходу. При прямом смещении слой p-типа соединяется с положительной клеммой, а слой n-типа соединяется с отрицательной клеммой, электроны входят из слоя n-типа, а дырки — из слоя p-типа. Когда они встречаются на стыке, электрон падает в дырку, и в это время излучается свет.

Базовая структура

Базовая структура полупроводникового лазера показана на рис. 1. Активный слой (светоизлучающий слой), зажатый между слоями оболочки p- и n-типа (двойная гетероструктура), сформирован на подложке n-типа , а напряжение подается на p-n переход от электродов. Оба края активного слоя имеют зеркальную поверхность. При подаче прямого напряжения электроны соединяются с дырками в p-n переходе и излучают свет. Этот свет еще не лазер; он ограничен активным слоем, потому что показатель преломления плакирующих слоев ниже, чем у активного слоя. Кроме того, оба конца активного слоя действуют как отражающее зеркало, в котором свет распространяется возвратно-поступательно в активном слое. Затем свет усиливается за счет процесса вынужденного излучения и генерируется лазерное колебание.

Рисунок 1: Базовая структура полупроводникового лазера

Типы полупроводниковых лазеров

Центральная длина волны полупроводникового лазера в основном зависит от ширины запрещенной зоны активного слоя полупроводника. Однако детали лазерных спектров различаются в зависимости от типа ЛД, даже если ширина запрещенной зоны одинакова.

(1) Полупроводниковый лазер Фабри-Перо

Этот лазер имеет простейшую структуру и используется во многих областях, включая оптические датчики для CD, DVD и BD; лазерные принтеры; и возбуждение волоконных лазеров. Он характеризуется использованием плоскости спайности лазерного кристалла для отражения света, излучаемого в активном слое, как показано на рисунке 1. Плоскость спайности кристалла чрезвычайно гладкая и может использоваться в качестве отражающего зеркала. Поскольку Fabry perot-LD не имеет механизма выбора определенной длины волны генерации, множественная лазерная генерация происходит в пределах полосы усиления, как показано на рис. 2. Колебание на нескольких длинах волн вызывает уширение импульса при передаче по оптоволокну, поэтому его нельзя применять для связи на большие расстояния.

Рисунок 2: Принципиальная схема полупроводникового лазера типа Фабри-Перо

(2) Полупроводниковый лазер DFB

Лазер DFB (лазер с распределенной обратной связью) имеет решетку ниже или выше активного слоя и колеблется на одной длине волны, определяемой формулой брэгговская длина волны решетки. Рисунок 3 иллюстрирует контур структуры. Он демонстрирует превосходные характеристики, в том числе узкую ширину спектра и низкий уровень шума, и, следовательно, используется в качестве источника оптического сигнала в дальней оптической связи.

Рис. 3: Принципиальная схема полупроводникового лазера типа DFB

(3) Полупроводниковый лазер со стабилизацией длины волны на основе ВБР

Хотя DFB-лазер обладает превосходными характеристиками, такими как колебание с одной длиной волны, он дорог из-за сложности изготовления. Более экономичным лазером для генерации одной длины волны является лазерный диод, стабилизирующий длину волны с помощью ВБР. Рисунок 4 иллюстрирует контур структуры. В этом случае резонатор лазера состоит из покрытого ВР торца активного слоя и ВБР с низким коэффициентом отражения. На рисунке 4 нарисована только сердцевина волокна. Другой торец активного слоя и падающий конец волокна имеют просветляющее покрытие для предотвращения отражения света. Кроме того, падающий конец волокна обрабатывается в виде линзы для сбора света. Поскольку ВБР, сформированная в сердцевине волокна, отражает только определенную длину волны, возникают колебания с одной длиной волны.

Рис. 4: Принципиальная схема полупроводникового лазера со стабилизацией длины волны ВБР

Компания FiberLabs предлагает следующие продукты, относящиеся к этой статье. Пожалуйста, посетите эти страницы, если вы заинтересованы в этой статье.

• Источник LD

Полупроводниковый лазер Конструкция и работа I Принцип I Характеристики I 7 Преимущества, недостатки и области применения.

19 февраля 2021 г. 2 июня 2020 г. by shabbusharma

В этом лазере полупроводники, такие как GaAs, InP, GaN и т. д., используются в качестве активной среды, а инверсия населенностей достигается за счет прямого смещения полупроводника.

Содержание

Конструкция и работа полупроводникового лазера

Полупроводниковый диодный лазер Принцип

Полупроводниковые лазеры в основном представляют собой диоды с PN-переходом. Когда полупроводник p-типа (имеет избыток дырок) находится в тесном контакте с полупроводником n-типа (имеет избыток электронов), на границе раздела образуется PN-переход.

Когда PN-переход смещен в прямом направлении внешним питающим напряжением, электроны из n-области и дырки из p-области вытесняются в переход.

Эти электроны и дырки притягиваются друг к другу. При столкновении они нейтрализуют друг друга и в результате испускают рекомбинационное излучение.

Электроны в полупроводниках n-типа находятся в зоне проводимости (т.е. с более высокой энергией), а дырка в полупроводниках p-типа находится в валентной зоне (т.е. с более низкой энергией).

Разность энергий между зоной проводимости и валентной зоной называется запрещенной зоной или запрещенной энергетической щелью данного материала. Энергия фотона, испускаемого в виде рекомбинационного излучения, равна ширине запрещенной зоны материала полупроводникового лазера.

Конструкция полупроводникового диодного лазера

Полупроводниковый лазер изготовлен из различных материалов, таких как арсенид галлия (Ga As), фосфид индия (InP), нитрид галлия (GaN) и т. д. Ширина запрещенной зоны полупроводникового лазера отличается, и, следовательно, этот лазер излучает свет с разными длинами волн.

Например, ширина запрещенной зоны GaAs  составляет 1,42 эВ при комнатной температуре и лазерном излучении в широком диапазоне длин волн от ближней инфракрасной области до видимой области э.м. Спектр излучается лазером на GaAs.

Ширина запрещенной зоны InP составляет 1,35 эВ, и этот материал используется для получения лазерного излучения с длиной волны 1,5 мкм м. Точно так же GaN имеет ширину запрещенной зоны, равную 3,36 эВ. Лазер из GaN используется для поглощения синего света и ультрафиолетовых лучей .

Рабочий полупроводникового диодного лазера

Активной средой полупроводникового лазера является PN-переход. В этом лазере зеркало не используется, как в другом резонаторе или резонаторе, для оптической обратной связи, поддерживающей лазерную генерацию.

В этом случае для оптической обратной связи используется отражательная способность, обусловленная показателями преломления двух слоев полупроводникового лазера. Торцы двух типов полупроводников (то есть P-типа и n-типа) сколоты и идеально параллельны друг другу для достижения оптической обратной связи.

 Если активная среда или переход изготовлен из полупроводникового материала одного типа, то полупроводниковый лазер также известен как лазер на гомопереходе .

С другой стороны, если переход изготовлен из различных типов полупроводниковых материалов, то полупроводниковый лазер известен как лазер с гетеропереходом .

Инверсия населенности в полупроводниковом диоде (диод с p-n переходом) достигается прямым смещением диода с PN переходом.

Прямое напряжение смещения заставляет пары носителей (т. е. электрон в n-области и дырка в p-области) вводить в религию перехода, где они рекомбинируют посредством стимулированного излучения.

Процесс можно объяснить следующим образом: Валентная зона и зона проводимости диода с p-n переходом показаны на рисунке.

В состоянии равновесия уровень Ферми находится внутри зоны проводимости полупроводника n-типа и внутри зоны баланса полупроводника P-типа.

Когда p-n-переход смещен в прямом направлении, электроны будут инжектироваться в зону проводимости вдоль и поперек, и в валентной зоне вдоль p-стороны перехода образуется определенное количество дырок.

Таким образом, в зоне проводимости будет больше электронов, чем в валентной зоне. Следовательно, достигается инверсия населенностей.

 Если прямое напряжение низкое, то есть прямой ток мал, электрон перепрыгивает из зоны проводимости в валентную зону, где они рекомбинируют с дыркой и излучают некогерентный свет. Это функция светодиода (LCD).

Однако, если прямое напряжение высокое, т.е. прямой ток большой, электрон перескакивает из зоны проводимости в валентную зону, то из-за рекомбинации электрона и дырки фотон с энергией равен запрещенной энергетической щели (Eg ) излучается спонтанным излучением в области перехода полупроводника GaAs.

 Этот Фотон стимулировал лазерное действие вблизи соединения. Лазерное воздействие происходит в узкой области и лазерных колебаний (т. е. оптическая обратная связь) происходит за счет многократного отражения между сколотыми торцевыми поверхностями.

Изменение типичного выходного сигнала полупроводникового лазера с током, протекающим через лазер, показано на рисунке.

Когда прямой ток мал, построенная инверсия населенностей компенсирует потери в системе, т.е. поглощение превышает усиление и, следовательно, не происходит генерации. В этом случае мощность лазера зависит от тока линейно.

Когда ток превышает критическое значение (Ic), вызывается пороговый ток, усиление превышает потери в системе и происходит генерация. В этом случае мощность лазера резко возрастает с увеличением тока.

Characteristics

S.No	TITLE	Description
1.	Type	Solid State Semiconductor laser.
2.	Активная среда	Активной средой полупроводникового лазера является p-n переход.
3.	Насосный метод	Метод прямого преобразования.
4.	Выходная мощность	Выходная мощность этого лазера составляет 1 мВт.
5.	Характер выхода	Непрерывный или импульсный выход.
6.	Длина волны на выходе	8300 до 8500 Å .

Лазер на гомопереходе имеет ряд недостатков

• Для работы такого лазера требуется большой ток, и они могут быть повреждены, если этот большой ток непрерывно светит на p-n переход.
• Имеют низкую эффективность.
•  Излучение распространяется в стороны от данной области, и, следовательно, потери больше, чем усиление или усиление.
• Используются только в импульсном режиме.

Однако эти ограничения отсутствуют в случае лазера с гетеропереходом.

Такие лазеры изготавливаются путем помещения полупроводника с малой шириной запрещенной зоны (например, GaAs) между двумя слоями различных полупроводников с большой шириной запрещенной зоны.

Таким образом, внутренний слой образует два гетероперехода на двух границах раздела полупроводников. Показатель преломления полупроводника с малой шириной запрещенной зоны больше, чем показатель преломления полупроводника с большой шириной запрещенной зоны.

Таким образом, внутренний слой полупроводника вызывает удержание лазерного излучения внутри активной среды за счет явления полного внутреннего отражения.

Следовательно, в активной среде поддерживаются лазерные колебания. Более высокая ширина запрещенной зоны или запрещенная энергетическая щель окружающего полупроводника создает потенциальный барьер, который препятствует диффузии носителей заряда из области перехода, и, следовательно, носители заряда остаются в области перехода.

Это условие увеличивает инверсию населенностей и, следовательно, вынужденное излучение. Удержание носителей заряда в области перехода значительно снижает пороговый ток для работы лазера на гетеропереходе. Эффективность этих типов лазеров достаточно высока.

[ Примечание. Полупроводники из германия и кремния не могут быть использованы для производства лазера, потому что в германии и кремнии рекомбинация электронов и дырок высвобождает энергию в виде тепла. ]

Заслуга победителя науки

 

Преимущества полупроводниковых лазеров

•  Для работы полупроводникового лазера требуется мало энергии.
•  Они компактны и легки.
•  У них долгая жизнь.
• Мощность лазера можно легко увеличить, контролируя ток перехода.
• Лазер имеет непрерывный или импульсный выходной сигнал.
• Этот лазер обладает высокой эффективностью.
• Устройство простое и компактное.

 Применение или использование полупроводникового лазера

• Они используются в оптоволоконной связи для создания высокочастотных волн для модуляции низкочастотного сигнала.
•  Они используются в качестве лазерной указки.
•  Используются для хранения данных на CD или DVD.
•  Используются в качестве источника накачки в твердотельном лазере.

Часто задаваемые вопросы о полупроводниковых лазерных диодах

Какой материал используется в полупроводниковом лазере?

Полупроводниковый лазер изготовлен из различных материалов, таких как арсенид галлия (Ga As), фосфид индия (InP), нитрид галлия (GaN) и т.