Опубликован: 16.01.2014 | Уровень: для всех | Доступ: платный
Лекция 9:

Наноэлектронная элементная база информатики на полупроводниках группы АІІІВV. Устройства на ПАВ. Светодиоды. Лазерные диоды

< Лекция 8 || Лекция 9: 12345 || Лекция 10 >

Лазерные диоды

Повышенная эффективность светодиодов, достигнутая на "наноэлектронном" этапе развития, позволила быстро наладить промышленный выпуск и лазерных диодов (англ. laser diode – LD). Конструктивно они отличаются от некогерентных светодиодов наличием оптического резонатора. Простейший резонатор получают, нарезая полупроводниковую пластину со светодиодной структурой на прямоугольные чипы. На рис. 9.6 слева показан один из таких чипов, у которого сверху и снизу расположены электроды анода (А) и катода (K). Через n-ШЗ обозначена основа из широкозонного полупроводника n-типа проводимости, через УЗ – активный слой из чистого узкозонного полупроводника, через p-ШЗ – слой широкозонного полупроводника p-типа проводимости, через n^+ и p^+ – высоколегированные слои для получения омического контакта с электродами.

При пропускании электрического тока в активном слое светодиода создаются избыточные (намного больше равновесных) концентрации электронов проводимости и "дырок" – первое необходимое условие для реализации лазера.

Слева – структура лазерного диода с резонатором типа  Фабри–Перо. Справа – структура диэлектрического зеркала

Рис. 9.6. Слева – структура лазерного диода с резонатором типа Фабри–Перо. Справа – структура диэлектрического зеркала

Чтобы создать оптический резонатор, перпендикулярные к активному слою противоположные грани чипа (на рис. 9.6 левую и правую) шлифуют и оптически полируют так, чтобы они стали плоскопаралельными. На левую грань напыляют непрозрачный зеркальный слой (НЗ), например, из серебра, а на правую – полупрозрачный слой (ПЗ). Они вместе образуют оптический резонатор, известный под названием "интерферометр Фабри–Перо" и тем самым выполняют второе необходимое условие реализации лазера. Теперь фотоны, распространяющиеся вдоль оси резонатора, отражаясь от зеркал, многократно проходят сквозь активный слой (УЗ) и каждый раз вызывают вынужденную рекомбинацию очередных электронов проводимости с дырками. При этом излучаются фотоны с точно такой же частотой и фазой колебаний – "когерентные" фотоны. Двигаясь вдоль оси резонатора (это условно показано пунктирной стрелкой 1), они вызывают последующие акты вынужденного излучения. Этот процесс лавинообразно нарастает, и довольно быстро почти все излучение лазерного диода становится когерентным. Фотоны, излучаемые при значительно более редких спонтанных рекомбинациях, имеют другое направление распространения, несколько иную частоту и поэтому не усиливаются, оставаясь одиночными. Узко направленный когерентный световой поток из лазерного диода наружу условно показан штрихованной стрелкой 2.

На рис. 9.7 показаны разительные изменения в спектре при переходе от некогерентного излучения светодиода к когерентному излучению лазерного диода. На графиках вдоль горизонтали отложена длина волны (\lambda) излучения, вдоль вертикали – его относительная спектральная интенсивность (I). У обычных светодиодов спектральная полоса излучения относительно широкая, а у лазерных диодов излучение является почти идеально монохроматическим: полуширина спектральной полосы составляет 0,1-0,4 нм. Соответственно и спектральная интенсивность в этой полосе, а точнее сказать, в спектральной линии излучения на порядки величины выше. Показанные на рис. 9.7 небольшие "всплески" излучения на кратных частотах очень слабы.

Слева – типичное спектральное распределение излучения светодиода. Справа – структура спектра излучения лазерного диода

Рис. 9.7. Слева – типичное спектральное распределение излучения светодиода. Справа – структура спектра излучения лазерного диода

Если обычный светодиод излучает свет с широким пространственным углом расхождения, то излучение лазерного диода направлено в основном вдоль оптической оси резонатора. Небольшое угловое расхождение обусловлено дифракцией света и может быть уменьшено применением линз. Есть и еще одно важное отличие: если обычный светодиод может работать даже при небольших токах инжекции (только интенсивность его излучения будет соответственно меньше), то для работы лазерного диода нужны относительно большие токи инжекции. Имеется пороговое значение электрического тока, ниже которого когерентное излучение не возникает.

При использовании описанного резонатора Фабри–Перо длина волны излучения лазерного диода не является постоянной, а может случайно изменяться в пределах максимума излучения соответствующего светодиода. Поэтому для применений, где важно точно поддерживать длину волны (частоту) излучения, в резонаторе вместо металлического зеркального слоя используют т.н. "диэлектрическое зеркало". В англоязычной литературе его чаще называют "распределенным рефлектором Брегга" (distributed Bragg reflector – DBR). Оно состоит из многих плоскопаралельних слоев прозрачных диэлектриков с существенно разными показателями преломления n_1 и n_2 ( рис. 9.6, справа). Наносить их можно разными методами – вукуумного напылення, эпитаксиального наращивания, по технологии Ленгмюра-Блоджетт и т.д. Относительная толщина слоев чаще всего равна четверти длины волны света \lambda:


L=L_1+L_2;\quad L_1=\frac{\lambda}{4n_1};\quad L_2=\frac{\lambda}{4n_2},
( 9.4)
При выполнении этого условия наблюдается конструктивная интерференция световой волны, благодаря которой почти весь падающий свет отражается. Для света любой другой длины волны это условие не выполняется, и потому для них диэлектрическое зеркало является прозрачным. Резонансная длина волны сформированного диэлектрического зеркала и определяет частоту излучения лазерного диода, которая уже не зависит от случайных факторов, а определяется лишь конструкцией интерференционного зеркала.

Лазерные диоды различных размеров, разной мощности, разной частоты излучения применяют в информатике очень широко: для формирования сверхвысокочастотных сигналов в волоконно-оптических, в открытых атмосферных и в линиях дальней космической связи, в лазерных дальномерах и в других высокоточных оптических приборах, для считывания штрих-кодов, в оптических дисководах, компьютерных "мышках", лазерных указках, во многих высокочувствительных оптоэлектронных сенсорах.

В 2012 г. во Франции в инновационном центре Alcatel-Lucent с использованием современных лазерных светодиодов и схем управления на гетеротранзисторах была, например, достигнута рекордная скорость передачи данных по одному оптическому волокну 31 Тбит/с на расстояние 7200 км. По волокну одновременно передавалось излучение от 155 лазерных светодиодов на частотах с шагом около 50 ГГц со скоростью 200 Гбит/с на каждой частоте.

< Лекция 8 || Лекция 9: 12345 || Лекция 10 >
Ольга Клюева
Ольга Клюева

Некорректно сформулированные задания. Нужна помощь в выполнении

Несибели Спандияр
Несибели Спандияр
Казахстан, Алматы, КазНАУ
Юлия Яцуненко
Юлия Яцуненко
Россия, г. Махачкала