Лазерные диоды

Физические принципы работы лазерных диодов

Лазерный диод — это полупроводниковый прибор, генерирующий когерентное электромагнитное излучение в результате индуцированного излучения, происходящего при переходе носителей заряда между энергетическими уровнями в полупроводнике. Основной рабочий принцип лазерного диода — усиление света в активной области за счёт вынужденного испускания фотонов при рекомбинации электронов и дырок.

В лазерных диодах используется полупроводниковый p-n-переход, сформированный на границе двух областей с различным типом проводимости. Под действием внешнего напряжения происходит инжекция носителей: электроны из n-области и дырки из p-области поступают в активный слой, где происходит их рекомбинация с испусканием фотонов. Если выполнено условие инверсии населенностей, то возможно возникновение лавинообразного усиления света.

Для генерации когерентного излучения необходим резонатор, формирующий направленный пучок света. В лазерных диодах роль резонатора выполняют две противоположные грани кристалла, отполированные перпендикулярно оси p-n-перехода. Отражения на этих гранях создают оптическую положительную обратную связь, способствующую развитию вынужденного излучения.

Структура и типы лазерных диодов

Современные лазерные диоды имеют сложную гетероструктуру, в которой активная область зажата между слоями с более широкой запрещённой зоной. Это обеспечивает хорошую локализацию носителей и фотонов в активной области и способствует эффективной генерации излучения.

Основные типы структур:

  • Гомоструктурные лазерные диоды — состоят из одного типа материала (например, GaAs), обладают низкой эффективностью и используются редко.

  • Гетероструктурные лазерные диоды — используют комбинацию полупроводников с разными ширинами запрещённой зоны, например AlGaAs/GaAs, обеспечивают эффективное сужение активной зоны и confinement носителей.

  • Квантово-размерные структуры:

    • Квантовые ямы — активная область представляет собой тонкий слой с квантованием движения носителей по одному направлению.
    • Квантовые провода и точки — носители ограничены в двух и трёх измерениях соответственно, что даёт повышенную плотность состояний и сниженный порог генерации.

Длина волны и материалы

Длина волны излучения лазерного диода определяется шириной запрещённой зоны материала, использованного в активной области. В зависимости от применяемых полупроводников длина волны может варьироваться от ультрафиолетового до инфракрасного диапазона.

Материал активной области Диапазон длин волн (нм) Типичные применения
GaAs 780–850 Лазерные указки, CD-приводы
InGaAs 980–1100 Волоконная оптика, накачка
AlGaInP 630–690 Оптические диски, проекторы
GaN, InGaN 370–500 Blu-ray, дисплеи, UV-обработка
InP/InGaAsP 1300–1550 Телекоммуникации, DWDM-системы

Порог генерации и характеристики излучения

Ключевым параметром лазерного диода является пороговый ток — минимальное значение прямого тока, при котором начинается генерация когерентного излучения. Он зависит от эффективности инжекции, качества зеркал резонатора, температуры, а также от геометрии и материалов активной области.

Лазерное излучение диода характеризуется следующими параметрами:

  • Выходная мощность — обычно от милливатт до нескольких ватт.
  • Спектральная ширина — может быть порядка 1–5 нм для обычных диодов и менее 0.1 нм для диодов с распределённой обратной связью.
  • Угловое распределение — излучение сильно расходимое (до десятков градусов), что обусловлено малым поперечным размером активной зоны.
  • Поляризация — обычно TE-мода, поле колеблется параллельно p-n-переходу.

Режимы работы и модуляция

Лазерные диоды могут работать в непрерывном или импульсном режимах. В непрерывном режиме они обеспечивают стабильную выходную мощность при постоянном токе. Импульсный режим позволяет достигать высокой пиковой мощности и используется при необходимости кратковременного, но интенсивного излучения.

Модуляция лазерного излучения осуществляется:

  • По току — быстрый и распространённый способ, подходящий для телекоммуникаций.
  • С внешним модулятором — используется для высокоскоростной и узкоспектральной передачи, когда важна стабильность частоты.

Температурные эффекты

Работа лазерных диодов чувствительна к температуре. Повышение температуры приводит к:

  • увеличению порогового тока,
  • снижению квантового КПД,
  • смещению длины волны (примерно на 0.3 нм/°C),
  • ухудшению стабильности и надёжности работы.

Для компенсации температурных эффектов в большинстве приложений используются термоэлектрические охладители (Peltier-элементы), термостабилизаторы и терморегулируемые драйверы тока.

Стабилизация длины волны

Для приложений, требующих узкой спектральной линии (например, в спектроскопии, метроло́гии, квантовых технологиях), применяются специальные конструкции:

  • DFB (distributed feedback) — решётка Брэгга встроена вдоль волновода, обеспечивая селекцию по длине волны.
  • DBR (distributed Bragg reflector) — решётка расположена вне активной области.
  • External Cavity Diode Laser (ECDL) — используется внешний оптический резонатор с частотно-селективными элементами (решётка, интерферометр).

Надёжность и деградация

Лазерные диоды склонны к деградации при длительной эксплуатации, особенно при перегреве или превышении номинального тока. Основные механизмы деградации:

  • образование дефектов в кристалле,
  • старение зеркальных граней,
  • термомеханические напряжения.

Для увеличения срока службы применяется герметизация корпуса, теплоотводы, использование твердотельных линз, эпитаксиальные буферные слои и прецизионные драйверы тока.

Применение лазерных диодов

Лазерные диоды нашли широкое применение благодаря своей компактности, эффективности и возможности прямой модуляции:

  • Оптическая связь: волоконно-оптические линии, передача данных на большие расстояния (особенно в диапазоне 1300–1550 нм).
  • Измерительные системы: интерферометры, спектроскопия, лидары.
  • Промышленность: лазерная резка, пайка, маркировка, накачка твердотельных лазеров.
  • Медицина: хирургия, фототерапия, флуоресцентная диагностика.
  • Бытовая электроника: лазерные принтеры, CD/DVD/Blu-ray-приводы, проекторы.
  • Военные и авиационные технологии: дальномеры, системы наведения, активная защита.

Преимущества и ограничения

Преимущества:

  • высокая эффективность преобразования электроэнергии в свет;
  • малые габариты;
  • низкое напряжение питания;
  • возможность интеграции с микросхемами;
  • широкий диапазон длин волн.

Ограничения:

  • температурная нестабильность;
  • чувствительность к перенапряжению;
  • ограниченная выходная мощность (по сравнению с другими типами лазеров);
  • необходимость коллимации и оптической стабилизации излучения.

Современные тенденции развития

Современные направления исследований в области лазерных диодов включают:

  • разработку вертикальных лазеров с поверхностным излучением (VCSEL);
  • увеличение оптической мощности при сохранении стабильности;
  • реализацию лазеров с многомодовыми и сверхширокими спектрами;
  • интеграцию с фотонными чипами (photonic integrated circuits, PIC);
  • расширение диапазона длин волн, включая средний ИК-диапазон.

Лазерные диоды продолжают оставаться ключевыми элементами в фотонике и оптоэлектронике, обеспечивая основу для высокоскоростной передачи данных, точных измерений, лазерной обработки материалов и многих других технологических решений.

Оглавление