1.2.5. Полупроводниковые инжекционные лазеры

Специально изготовленные светодиоды (см. 1.2.2) могут излучать когерентный свет. Для этого необходимо создать в активном (излучающем) слое структуры инверсную заселенность энергетических уровней, т. е. осуществить очень сильное заполнение электронами возбужденных уровней. В этом случае излучение, возникшее при первых рекомбинациях электронов и дырок, вызывает вынужденные переходы других электронов на нижние энергетические уровни, причем возникающее излучение имеет строго ту же частоту и плоскость поляризации, что и первоначальное. Если свет имеет возможность многократно пройти область инверсной заселенности, то возникает интенсивное вынужденное излучение. С этой целью применяют отражающие поверхности на противоположных гранях образца, в пространстве между которыми образуются стоячие световые волны. Зеркалами могут служить граня кристалла, полученные, например, при скалывании краев образца.

Для изготовления лазеров используют полупроводники с прямыми зонами, например GaAs или GaAlAs, в которые возможны межзонные переходы электронов без участия фононов. Создание инверсной заселенности уровней происходит при интенсивной инжекции неосновных носителей, что легче достигается в гетеропереходах (см. рис. 1.17), изготовленных на основе материалов с высокой концентрацией примесей. Усиление света происходит только вдоль направлений, перпендикулярных поверхности зеркал, поэтому из области р-п-перехода через полупрозрачную отражающую поверхности выходит узкий луч определенного направления.

На рис. 1.19,а приведена энергетическая схема лазера в присутствии внешнего напряжения U. Через р-п-переход инжектируются электроны из п-области I в активную область II (толщиной ~ 1 мкм), где происходит излучение фотонов с энергией hv1,4 эВ. Переход типа рр+между p-областью II и р+-областью III создает барьер для электронов, попавшим в активную область II, и способствует накоплению электронов в этой области. Лазерный эффект достигается при определенным пороговых значениях тока через переход (примерно 1 кА/см2 при 300 К). Начиная с этих значений тока спектральная полоса излучения значительно сужается. Для уменьшения рабочий токов и ослабления нагрева активный слой часто сокращают до полоски шириной 5—20 мкм, идущей от одной отражающей поверхности до другой. Этого достигают применением узкого металлического электрода (верхнего на рис. 1.19, б). У подобных устройств снижается как пороговый ток (примерно до 100 мА при комнатной температуре), так и инерционности вследствие уменьшения емкости переходов.

В качестве материала, инжектирующего электроны, может быть использован более широкозонный AlxGa1-xAs (рис. 1.19, б). В этом случае активный слой GaAs p-типа располагается между двумя широкозонными полупроводниками, которые обладают более низким коэффициентом преломления. Это приводит к усилению отражения света от боковых слоев и, следовательно, к уменьшению потерь света.

Подпись: Рис.1.19. Энергетическая схема инжекционного лазера (а) и структура лазера с двумя переходами (б)

Мощность излучения лазеров, работающих в непрерывном режиме, составляет около 0,1 Вт. В случае импульсного возбуждения мощность может быть значительно повышена, так как нагрев прибора будет ослаблен. К. п. д. инжекционных лазеров достигает 50%, инерционность составляет около 1·10-9 с, напряжение питания не превышает 3 В, а размеры — нескольких миллиметров. Модуляция светового потока может осуществляться изменением напряжения.

Введение в оптоэлектронику


*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.