Физические принципы работы перестраиваемых диодных лазеров
Полупроводниковые лазеры обладают широкими возможностями для перестройки длины волны за счёт специфики генерации излучения в полупроводниковой зоне проводимости. Основу лазерного действия составляет процесс рекомбинации носителей заряда — электронов и дырок — в активной области p–n-перехода с испусканием фотонов. Спектр излучения при этом определяется шириной запрещённой зоны материала и может быть варьирован как за счёт состава самого полупроводника, так и с помощью внешних методов воздействия.
Одним из основных механизмов перестройки является изменение длины резонатора и/или условий обратной связи. В стандартной конструкции диодного лазера резонатор формируется за счёт отражающих граней самого кристалла, однако для обеспечения спектральной селективности и перестройки применяются внешние элементы, такие как дифракционные решётки, интерферометры или фильтры с переменным положением. Важнейшими методами перестройки являются:
Термическая перестройка длины волны
Температура активной области диодного лазера оказывает прямое влияние на энергетическую разность между уровнями проводимости и валентной зоной. При повышении температуры ширина запрещённой зоны уменьшается, что приводит к увеличению длины волны излучения. Эта зависимость описывается эмпирической формулой:
λ(T) = λ0 + α ⋅ (T − T0),
где λ0 — длина волны при температуре T0, а α — температурный коэффициент перестройки, обычно лежащий в пределах 0.25–0.3 нм/°C.
Таким образом, даже небольшие изменения температуры (на 10–20 °C) позволяют перестроить длину волны на несколько нанометров, что ценно, например, в телекоммуникационных применениях, где требуется тонкая настройка частоты излучения в пределах одного канала.
Электрическая перестройка
Изменение тока инжекции влияет не только на уровень инверсии, но и на температуру активной области, а также на показатель преломления полупроводника. В результате этого изменяется эффективная длина резонатора, что сказывается на длине волны излучения. Этот механизм может быть использован для быстрой перестройки, однако его диапазон ограничен (до 2–3 нм) и сопровождается изменением мощности и спектральной ширины генерации.
Кроме того, электрическое поле может влиять на квантово-размерные эффекты в многослойных структурах (например, в квантовых ямах и точках), что также используется для перестройки длины волны в специально разработанных лазерных диодах.
Внешняя спектральная селекция: конфигурации с внешним резонатором
Для расширения диапазона перестройки и повышения спектральной селективности используются диодные лазеры с внешним резонатором (external cavity diode laser, ECDL). В таких системах внутренний резонатор полупроводникового лазера дополняется внешними элементами, среди которых наиболее часто применяются:
Наиболее распространённой является конфигурация Литтроу, в которой дифракционная решётка устанавливается под таким углом, чтобы первый дифракционный максимум отражался обратно в диод. Угол наклона решётки определяет длину волны, возвращаемую в резонатор, и тем самым обеспечивает обратную связь только на нужной частоте. Варьируя угол, можно добиться перестройки на десятки нанометров при сохранении узкой спектральной линии.
λ = 2dsin θ,
где d — период решётки, θ — угол дифракции.
Варианты квантоворазмерных активных областей
Современные перестраиваемые диодные лазеры используют активные области на основе квантовых ям и квантовых точек, обеспечивающих более широкую спектральную полосу усиления и возможность многомодовой перестройки. Такие структуры обладают:
Для квантовых ям наблюдается значительное усиление при варьировании толщины ямы, что используется при проектировании широкодиапазонных перестраиваемых лазеров, в частности — в ближнем ИК-диапазоне (1.3–1.6 мкм) для задач оптической связи.
Динамика и особенности перестройки
Характерной чертой перестраиваемых диодных лазеров является возможность быстрой перестройки — от десятков килогерц до гигагерц в зависимости от способа. Наиболее высокие скорости достигаются при электронном управлении через варикапы или изменение тока накачки.
Ключевыми параметрами при описании перестраиваемых лазеров являются:
Для некоторых применений, таких как спектроскопия с высоким разрешением, используются узкополосные лазеры с шириной линии менее 1 МГц и возможностью перестройки в пределах до 100 нм, что достигается сочетанием внешнего резонатора и активной стабилизации частоты.
Применения перестраиваемых диодных лазеров
Такие лазеры находят широкое применение в областях, требующих узкой линии излучения с возможностью частотной настройки:
Материалы и конструктивные особенности
Диапазон рабочих длин волн зависит от используемого полупроводникового материала:
Для достижения перестраиваемости в широком диапазоне применяются гетероструктуры с градиентом состава или несколько активных зон, сдвинутых по спектру.
Конструкции корпусов перестраиваемых лазеров включают:
Особенности и перспективы
Перестраиваемые диодные лазеры продолжают развиваться в направлении увеличения скорости, диапазона перестройки, уменьшения шумов и ширины линии. Особый интерес вызывают лазеры на квантовых каскадах и интегральные схемы фотонных кристаллов, позволяющие реализовать перестройку на чипе без внешней оптики.
Сочетание миниатюрности, высокой спектральной плотности мощности, низкого энергопотребления и широких возможностей настройки делает перестраиваемые диодные лазеры ключевым элементом современной фотоники.