Физические основы работы полупроводниковых лазеров
Полупроводниковые лазеры (или лазерные диоды) представляют собой квантовоэлектронные приборы, в которых генерация когерентного излучения осуществляется за счёт вынужденного перехода носителей через запрещённую зону в полупроводниковых гетеро- или гомоструктурах. Основу их работы составляет эффект электролюминесценции, а главным условием генерации является достижение инверсии населённости и превышение порога усиления над потерями.
Энергетическая диаграмма и переходы носителей
Полупроводник характеризуется валентной зоной и зоной проводимости, разделёнными запрещённой зоной шириной Eg. При подаче прямого напряжения на p-n-переход происходит инжекция электронов и дырок в активную область. Электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону, испуская фотоны с энергией, примерно равной ширине запрещённой зоны.
Ключевые условия:
Усиление света и роль резонатора
В активной области создаётся оптическое усиление за счёт вынужденного излучения. Чтобы превратить усиление в генерацию, необходимо наличие резонатора. В полупроводниковых лазерах чаще всего используется резонатор типа Фабри — Перо, образованный двумя параллельными гранями кристалла, отполированными и частично отражающими.
Коэффициент усиления определяется как:
g(ν) = Γ ⋅ g0(ν)
где Γ — коэффициент перекрытия моды, g0(ν) — дифференциальное усиление, зависящее от частоты и плотности инжектированных носителей.
Для генерации требуется выполнение условия:
$$ g(\nu) \cdot L > \ln\left(\frac{1}{R_1 R_2}\right) + \alpha_i L $$
где R1, R2 — коэффициенты отражения граней, L — длина резонатора, αi — внутренние потери.
Типы структур и их характеристики
1. Гомоструктуры: Ранние полупроводниковые лазеры представляли собой p-n-переход из одного и того же материала. Они характеризовались высоким порогом тока и слабой температурной стабильностью.
2. Гетероструктуры: Использование разнородных полупроводников позволяет улучшить удержание носителей и света. Двойная гетероструктура (DH) является стандартом: активный слой с меньшей шириной запрещённой зоны зажат между двумя слоями с большей Eg.
Преимущества гетероструктур:
3. Квантовые ямы, проволоки и точки: Современные устройства используют квантоворазмерные структуры, в которых движение носителей ограничено в одном, двух или трёх измерениях. Это приводит к модификации плотности состояний и, как следствие, к снижению порогового тока и улучшению спектральных характеристик.
Режимы работы
Полупроводниковые лазеры могут работать в непрерывном (CW) и импульсном режимах. Импульсный режим используется для достижения высоких пиковых мощностей, особенно при работе с короткими импульсами (пикосекундные и фемтосекундные диапазоны).
Важные параметры режима работы:
Температурная зависимость характеристик
С повышением температуры происходит увеличение порогового тока и снижение эффективности. Это связано с ростом тепловых потерь, уменьшением коэффициента усиления и утечками носителей из активной области.
Зависимость порогового тока от температуры:
$$ I_{th}(T) = I_0 \cdot \exp\left(\frac{T}{T_0}\right) $$
где T0 — характеристическая температура, отражающая степень термостабильности. Чем выше T0, тем стабильнее лазер.
Спектральные и модовые характеристики
Ширина спектра лазерного излучения полупроводниковых лазеров определяется усилением, температурой и длиной резонатора. В коротких резонаторах возможно одночастотное (одномодовое) излучение. При увеличении длины появляются продольные моды, обусловленные условиями интерференции в резонаторе.
Связь между длиной резонатора и модами:
$$ \Delta \nu = \frac{c}{2nL} $$
где Δν — расстояние между модами, n — показатель преломления, L — длина резонатора.
Инжекционные и вертикальные лазеры
1. Боковые лазеры с продольной инжекцией (edge-emitting lasers): Излучение выходит через грань кристалла. Обеспечивают высокую мощность и хорошую коллимацию.
2. Вертикальные лазеры с излучением через поверхность (VCSEL): Излучение перпендикулярно плоскости гетероструктуры. Отличаются меньшими размерами, более узкой спектральной линией и высокой скоростью модуляции.
Основные материалы и длины волн
Материал активной области определяет длину волны за счёт ширины запрещённой зоны. Используются как объемные кристаллы, так и эпитаксиальные многослойные структуры.
Коэффициент внутренней квантовой эффективности
Он определяется как отношение числа фотонов, испущенных в результате вынужденной рекомбинации, к общему числу рекомбинировавших носителей:
$$ \eta_{int} = \frac{R_{stim}}{R_{stim} + R_{sp} + R_{nr}} $$
где Rstim, Rsp, Rnr — скорости вынужденной, спонтанной и некогерентной рекомбинаций соответственно.
Модуляция и передача данных
Полупроводниковые лазеры способны работать с частотами модуляции вплоть до десятков гигагерц, что делает их незаменимыми в системах оптической связи. Для улучшения модуляционных свойств применяются лазеры с распределённой обратной связью (DFB) и лазеры с отражающей решёткой (DBR).
Глубина модуляции и предельная частота:
$$ f_{3dB} \approx \frac{1}{2\pi} \sqrt{\frac{g \cdot P}{E_{ph}}} $$
где g — коэффициент усиления, P — выходная мощность, Eph — энергия фотона.
Выводы из анализа свойств полупроводниковых лазеров:
Полупроводниковые лазеры являются важнейшим классом лазерных источников с уникальными свойствами, определяющими прогресс в оптоэлектронике и фотонике.