План Общая информация о полупроводниковых лазерах 3 Применения полупроводниковых лазеров 4

МОСКОВСКИЙ

ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции

и ордена Трудового Красного Знамени

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Н. Э. Баумана

Реферат

«Полупроводниковые лазеры для

волоконно-оптических линий связи»

Выполнил: Слюсаренко С.А

Группа РЛ2-71

Москва 2007 г.

План

1. Общая информация о полупроводниковых лазерах ------------------------------ 3

2. Применения полупроводниковых лазеров ------------------------------------------ 4

3. Лазер на двойном гетеропереходе ---------------------------------------------------- 5

4. Одномодовые канальные лазеры для волоконно-оптических линий связи -- 7

5. Полупроводниковые лазеры, излучающие в области 1300..1600 нм ---------- 14

1.
Общая информация о полупроводниковых лазерах

Возможность использования полупроводниковых материалов в ка­честве активного вещества давно привлекает к себе внимание физиков и инженеров. Это не удивляет, так как полупроводники имеют высокую чувствительность к внешним воздействиям. Их свойствами можно управлять в очень широких пределах, изменяя температуру или давле­ние, воздействуя на них светом или потоком заряженных частиц, вводя различные примеси. Основы теории полупроводниковых лазеров впервые изложены в публикациях И. Г. Басова, Б, М. Вула, Ю. М. Попова, задолго до появления в 1962 г. первого лазера на арсениде галлия.

Принцип действия полупроводникового лазера можно рассмотреть с помощью рис. 1. на котором показаны валентная зона полупроводника V,
зона проводимости С
и ширина запрещенной зоны Eg
.
Если предположить для простоты, что полупроводник находится при температуре Т = О К, то валентная зона будет полностью заполнена электронами, в то время как зона прово­димости будет пуста (см. рис 1а, где заштрихованная об­ласть является областью заполненных состояний). Предполо­жим теперь, что электроны каким-либо образом переведены из валентной зоны в зону проводимости. Внутри этой зоны элек­троны за очень короткое время ( ~ 10 с)
перейдут на ее самый нижний уровень, а вск электроны вблизи максимума ва­лентной зоны также перейдут на самые нижние из незанятых уровней, так что верхушка валентной зоны будет заполнена дырками. Отсюда следует, что между валентной зоной и зоной проводимости возникает инверсия населенностей (рис. 1б). Электроны из зоны проводимости сваливаются назад в валент­ную зону (т.е. они рекомбинируют с дырками), испуская при этом фотон (рекомбинационное излучение).

Рис. 1 Принцип действия полупроводникового лазера

Если между зоной проводимости и валентной зоной существует инверсия населен-ностей. как показано на рис. 1б, то процесс вынужденного рекомбинационного излучения приведет к генерации при нали­чии подходящего резонатора и выполнении соответствующих по­роговых условий.

Лазерную генерацию на основе вынужденного рекомбина­ционного излучения в полупроводниковых p-n-переходах на­блюдали почти одновременно четыре группы исследователей в I962 г, причем три из них использовали GaAs.

И настоящее время создано большое количество полупроводниковых лазеров различных типов; охлаждаемых и неохлаждаемых с различны­ми схемами возбуждения, на различных материалах: ZnS; ZnO; ZnSe; CdS; CdTe; GaSe; GaTe; GaAs; GaAs 1-
x
Sbx; Al 1-
x
Ga x
As; GaSb; PbS; PbSe; PbTe; InSb; InAs 1-
x
Sbx и т.д.Эти лазеры перекрывают значительный диапазон длин волн от ультрафиолета до дальней ин­фракрасной области: 0,33; 0,37; 0,46; 0,49; 0,53; 0,59; 0,63...0,9; 0,78; 0,83...0,91; 0,9...1,5; 1,01...1,55; 2,1; 3,1; 3,1...5,4; 3...15; 4,3; 5,2; 6,5; 39...8,5; 6; 28; 8...31,2 и т. д. Большим их достоинством

3

являются малые габариты и высокий к. п. д. (около 80%). Полупроводниковые лазеры из-за особенностей энергетической структуры активного веще­ства существенно отличаются от лазеров других типов.

Специфика процессов генерирования излучения в полупроводни­ковых лазерах во многом обусловлена системой энергетических уров­ней полупроводника. В отличие от отдельных атомов и молекул, полу­проводниковые кристаллы обладают не узкими энергетическими уровнями, а широкими полосами—зонами энергетических состо­яний. Разрешенные зоны отделены одна от другой запрещенными зонами. В полупроводнике, подвергнутом нагреву, облучению или пропус­канию тока, электроны валентной зоны, поглощая энергию, сообщае­мую извне, приобретают способность преодолевать запрещенную зону и переходить в более высокую энергетическую зону — зону проводи­мости. В результате этого образуются пары носителей заряда: элек­троны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне, что приводит к электронно-дырочной проводимости. Возможен, очевидно, и обратный переход электронов возбужденного атома на более низкий энергети­ческий уровень: из зоны проводимости в валентную зону. В результате такого перехода пары электрон — дырка рекомбинируют, т. е. при заполнении электронами пустых мест (дырок) в валентной лоне, электрон и дырка исчезают, выделяя избыточную энергию, полученную электронами извне в процессе возбуждения атома. Этот процесс длит­ся примерно 10-10
…10-12
с.

В естественных условиях при отсутствии каких-либо внешних воздействий на полупроводник, электронно-дырочные пары возникают и рекомбинируют в результате теплового движения и спонтанного испускания фотонов, причем в полупроводнике устанавливается тепловое равновесие электронов и дырок. Оно характеризуется некоторым равновесным количеством электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне.

2.
Применения полупроводниковых лазеров

Полупроводниковые лазеры находят сегодня целый ряд важ­ных применений в различных областях. Впервые эти лазеры в больших масштабах использовались в качестве оптической считывающей га-овки в компакт дисковых системах. Теперь эта область применения расширилась и включает в себя опти­ческие диски, используемые как постоянные или одноразовые запоминающие устройства. Для этих применений используются GaAs-лазеры, однако предпринимаются большие усилия для раз­работки полупроводниковых лазеров видимого диапазона, по­скольку более короткая длина волны позволяет считывать диски с более высокой поверхностной плотностью записи. В лазерах видимого диапазона в качестве активной среды применяется тройном сплав GalnP (или четверной сплав AIGalnP), а для р-
и n-областей — GaAs. Выбором подходящего параметра со­става можно согласовать решетки обоих сплавов с GaAs, и к на­стоящему времени достигнута надежная работа при комнатной температуре в красной области спектра ( —680 нм) на основе GalnP. Кроме того, эти лазеры широко применяются в волоконно-оптнческой связи, причем опять же с GaAs. в то время как в будущем, наверное, для этой цели лучше подойдет лазер на чет­верном сплаве InGaAsP. Для применений а
связи срок службы любого компонента должен составлять как минимум около 105
ч (т. е. больше 10 лет). В настоящее время срок службы промышленных устройств составляет 10 ч. а эксперименталь­ных около 5*10 ч . В настоящее время полупроводниковые ла­зеры на GaAs широко применяются для накачки Nd : YAG-лазеров в конфигурации с продольной накачкой. Для получения более высоких мощностей стержень из Nd : YAG можно также накачивать в поперечной конфигурации линейкой диодных лазе­ров. Как уже отмечалось, выходная мощность полоскового диод­ного лазера ограничена оптическим разрушением грани до ти­пичного значения около 50 мВт. С целью

4

повышения мощности были разработаны линейки диодов с отдельными лазерными ка­налами, достаточно близко расположенными друг к другу, так что излучение всех этих каналов становится связанным, а фа­зы — синхронизованными. Таким путем была получена мощ­ность около 2 Вт от линейки из 40 лазерных каналов. В заклю­чение можно сказать, что для приложений полупроводниковые лазеры в настоящее время, по-видимому, играют наиважней­шую роль. Учитывая продолжающееся быстрое развитие этил лазеров, можно ожидать, что их роль в будущем значительно возрастет.

3.
Лазер на двойном гетеропереходе

Рис. 2- Схематическое представление по­лупроводникового лазера с двойным гете­ропереходом. Активная область представ­ляет собой слой из GaAs(n) (заштрихо­ванная область)

Ограничения, отмеченные в предыдущем разделе, сдержи­вали широкое использование полупроводниковых лазеров до тех пор, пока не были предложены вначале одинарные гетеропере­ходы, а вскоре после этого —двойные гетеропереходы. Мы огра­ничимся тем, что рассмотрим последний тип перехода, поскольку только он обычно и применяется. Чтобы проиллюстрировать его свойства, на рис. 2 при­веден пример лазерной структуры с двойным ге­теропереходом в GaAs, В этом диоде реализова­ны два перехода между различными материалами [Al Ga As(p)— GaAs и GaAs — Al Ga As(n)]. Активная область пред­ставляет собой тонкий слой GaAs (0,1—0,3 мкм). В такой структуре диода пороговую плотность тока при комнатной темпера­туре можно уменьшить примерно на два порядка (т. е. до ~ 103
Л/см2
) по сравнению с устройством на гомопереходе. Таким образом, становится возможной работа в непрерывном режиме при комнатной температуре. Уменьшение пороговой плотности тока происхо­дит благодаря совместному действию трех следующих фак­торов: I) Показатель преломления GaAs (
3,6) значительно больше показателя преломления Al
Ga
As
( 3,4),
что при­водит к образованию оптической волноводной структуры (рис. 3а).
Отсюда следует, что лазерный пучок будет теперь сосредоточен главным образом в слое GaAs, т, е. в области, в которой имеется усиление, 2) Ширина запрещенной зоны Egl
в GaAs (~ 1,5 эВ) значительно меньше, чем ширина запрещен­ной зоны Ем
в Alo
.3
Gao
.7
As
(~ 1,8 эВ). Поэтому на обоих пере­ходах образуются энергетические барьеры, которые эффективно удерживают инжектированные электроны и дырки в активном слое (рис. 3в). Таким образом, для данной плотности тока концентрация электронов и дырок в активном слое возрастает, а значит, увеличивается и усиление. 3) Поскольку Eg
,
значи­тельно больше, чем Egl
1
лазерный пучок с частотой v = Eg
/
h
почти не поглощается в Al Ga As . Поэтому крылья попереч­ного профиля пучка, заходящие как в p-, так и в n-области. (рис. 36), не испытывают там сильного поглощения.

5

Рис. 3. а —
профиль показателя пре­ломления; б
—поперечное сечение пуч­ка; в —
зонная структура полупровод-пика с двойным гетеропереходом, ис­пользуемого в диодном лазере.

До сих пор мы рассмат­ривали лазер с двойным ге­теропереходом на GaAs. Длина волны его излучения ( = 0,85 мкм) попадает в диапазон, в котором мы имеем минимум потерь в оп­тическом волокне из плав­леного кварца (первое окно пропускании). В настоящее время усиленно разрабаты­ваются лазеры с двойной ге-тероструктурой, работающие на длине волны либо 1,3 мкм, либо 1,6 мкм, на которых наблюдаются два других минимума по­терь оптического волокна (второе и третье окна про­пускания), поскольку потери в этих минимумах суще­ственно меньше. Здесь наи­больший интерес в качестве активной среды представ­ляет четырехкомпонентный сплав In Ga As P , где p- и n-области переходов выполняются из бинарного соединения InP. В этом случае добав­ляется новое условие, которому необходимо удовлетворить: по­стоянная решетка четверного сплава должна совпадать с посто­янной решетки InP (с точностью порядка 0,1 %). Если это усло­вие не выполняется, то слой четверного сплава, эпитаксиально выращенный на подложке из InP, приведет к достаточно силь­ным напряжениям, которые рано или поздно разрушат переход

6

Если выбрать значения параметров х
и у
четверного сплава таким образом, чтобы у = 2,2х,
то решетка четверного сплава согласуется с решеткой InP. Выбирая соответствующим обра­зом х,
можно получать длину волны излучения в диапазоне 0,92—1,5 мкм.

4.
Одномодовые канальные лазеры для волоконно-оптнческих линий связи

Излучение гетеролазеров испытывает меньшую дисперсию и по­этому более эффективно может быть согласовано с волоконными све­товодами. Для оптической связи наиболее подходящим является симметричный двойной гетеропереход с полосковым кон­тактом или гетероструктура с раздельными оптическим и электрон­ным ограничениями (рис. 4).

В гетероструктурах с раздельными оптическим и электронным ог­раничениями излучение распространяется в слоях х х х х , а носители рекомбинируют в более тонком слое х х .

Для использования в системах оптической связи к лазерному ис­точнику света предъявляют следующие основные требования: не­прерывный или квазинепрервный режим работы при температуре

Рис. 4. Схема лазерной гетероструктуры с раздельным

электронным и оптическим отражением

не ниже комнатной; стабильная одномодовая генерация; низкий пороговый ток; линей­ная зависимость выходной мощности от тока, малая изучаю­щая площадь, позво­ляющая получить вы­сокий коэффициент связи с волокном; вы­сокая кратковременная и долговременная ста­бильность мощности излучения, высокая мо­нохроматичность, вы­сокая яркость излуче­ния и высокий срок службы (порядка 10 ч или 12 лет).

Гетеролазеры, ис­пользуемые в оптиче­ской связи, относятся к полосковым лазерам. Полосковый лазер - это полупроволниковый лазер, в котором активная область (область генерации) выполнена в виде полоски

В гомолазерах возможна перестройка спектра к генерация в ши­роком диапазоне спектра за счет выбора компонентов р-n-перехода. Но активная область гомолазера неоднородна, имеет градиенты кон­центраций электронов н дырок и характеризуется зависимостью ко­эффициента усиления от координаты. Из-за неоднородности актив­ная

7

область гомолазера может уменьшиться до очень малых разме­ров, что приведет к срыву генерации. В полосковых гетеролазерах активный слой более однороден, требуется меньшая мощность для генерации излучения и можно реализовать одномодовый режим гене­рации. Для обеспечения устойчивой олномодовой генерации разра­ботаны различные конструкции полосковых лазеров.

В полосковых лазерах при усилении тока возможно его растека­ние за пределы активной области, расположенной под полосковым контактом. Это вызывает генерацию поперечных мод, которые могут привести к срыву генерации. Для подавления паразитных поперечных мод проводят целенаправленное изменение показателя преломления в направлении, параллельном плоскости перехода, в результате чего образуется лазерный диэлектричсскнй волновод. Такие гетеролазеры называют лазерами с управляемым коэффициентом преломления или канальными. Существуют различные конструкции таких лазеров (рис 5). Значительно более сильная боковая локализация оптиче­ского излучения обеспечивается в конструкциях, которые называют скрытыми гетероструктурами (рис 5а).

Рис. 5. Структура полосковых лазеров с селекцией поперечных мод:

а
- лазер со скрытой гетероструктурой; 6
- лазер с поперечным p-n--переходом;

в
- планарный полосковый лазер с канализированной подложкой;

г -
гетеролазер с расширенным волноводом

Полосковые гетеролазеры изготавливают на основе гетероструктуры GaAIAs/GaAs (излучают в области 780...900 нм) и GalnAsP/InP (излучают в области от 1300 до 1670 нм).

Гетеролазеры с управляемым коэффициентом преломления изготав­ливают следующими способами: легированием, частичным утолщением слоев; поглощением света, выходящего из активного слоя другими слоя­ми; размещением диэлектрического волновода в полупроводнике с более низким показателем преломления.

Первый способ реализуют диффузией цинка с поверхности в глубь структуры (ниже

8

активного слоя) в полосковом лазере с поперечным р-л-переходом (рис. 5б).
Так как инжекция носителей в р-п-
переход на арсениде галлия возникает при более низком напряжении по сравнению с р-п-переходом в слое покрытия из GaAlAs, то ток бу­дет втекать в активную область из GaAs (показано стрелкой). С по­мощью двойной гетероструктуры и p-n--перехода свет будет удержи­ваться в области размером 1x3 мкм2
. Пороговое значение тока со­ставляет примерно 20 мА.

При втором способе выращивают активный слой на подложке с предварительно вытравленной канавкой (каналом), на которую на­несен слой покрытия с малой толщиной вне канавки (рис. 5в).
Так как подложка из GaAs непрозрачна для генерируемых длин волн све­та, то вне канала имеет место сильное поглощение света и возникает разность потерь света, что позволяет формировать одну устойчивую поперечную моду. Лазер такой конструкции называют пленарным полосковым лазером с канализированной подложкой. Пороговое значение тока лазера равно 60.. .80 мА.

Третьим способом изготовляется плосковыпуклый гетеролазер плоским активным слоем (гетеролазер с расширенным волноводом), но со ступенчатым или линзообразным изменением толщины сосед­них световодных слоев. Как и во втором способе, в подложке делают углубление и выращивают слой, утолщенный полосой посередине, который и поглощает с

вет, вышедший за пределы световодной об­ласти (рис. 45).

Четвертый способ реализуется в лазерах со скрытой гетероструктурой, в которых активную область в виде полоски 1...3 мкм со всех сто­рон окружают материалом с большой шириной запрещенной зоны (рис. 5а).
В подложке мезатравлением делают выступ, а затем вы­ращивают слой структуры. В результате разности в коэффициентах преломления активной области и слоя покрытия образуется световод. Полученный гетеробарьер удерживает инжектированные носители за­ряда (не происходит их растекания в поперечном направлении). Поро­говое значение тока для таких лазеров составляет обычно 10... 30 мА

Конструкции лазеров (рис. 4а, б,
г) не зависят от материала. Однако конструкция, приведенная на рис. 4в, принципиально должна иметь подложку, изготовленную из полупроводникового ма­териала, поглощающего лазерное излучение. Кроме того в пленар­ном полосковом лазере с канализированной подложкой и плосковы­пуклом лазере можно существенно уменьшить распространение излу­чения в поперечном горизонтальном направлении, что по сравнению с лазерами со скрытой гетероструктурой позволяет увеличить шири­ну полоски до 5000.. .8000 нм и увеличить мощность излучения лазера до 10 мВт без сокращения его срока службы.

Спектр генерации GaAlAs-лазера с управляемым коэффициентом преломления (рис. 6) зависит от излучаемой оптической мощности. В окрестности порога имеются многочисленные продольные моды, но при оптической мощности свыше 1...2 мВт возрастает интенсив­ность только одной продольной моды и на ней возникает генерация, т.е. происходит сужение спектра генерации. При высоком уровне инжекции отношение интенсивностей света моды генерации и соседней моды достигает уровня 103
, т.е. резко возрастает монохроматичность оптического излучения.

При росте тока инжекции происходит перескок моды генерации на продольную моду с большей длиной волны. Это связано с повышением температуры активного слоя при увеличении тока инжекции, что при­водит к сдвигу спектра усиления в длинноволновую область на не­сколько десятых долей нанометра. Усредненное изменение длины вол­ны для GaAlAs-лазеров составляет 0,3 нм/°С, а для lnGaAsP-лазеров — 0,4. ..0,5 нм/°С Увеличение длины волны лазерной генерации происхо­дит и в отсутствие перескока моды из-за температурной зависимости показателя преломления и составляет приблизительно 0,1 нм/°С.

Толщина активного слоя в лазерах на двойной гетероструктуре всегда менее одного микрометра. В результате в активном слое может возбуждаться только низшая поперечная

9

пересекающая мода. Число поперечных боковых мод зависит от ширины резонатора, но ширина полоски также важна. В гетеролазерах со скрытым гетеропереходом боковое ограничение излучения значительно больше, чем в лазерах других конструкций.

Рис.6. Спектр генерации GaAlAs-гетеролазера с управляемым коэффициентом

преломления при различных токах накачки

В полосковых гетеролазерах с шириной полоски более 20 мкм на­блюдают резкий переход через лазерный порог, после чего возбуж­даются моды высокого порядка. С ростом уровня инжекцнн выход­ная мощность лазера растет линейно, пока разогрев активного эле­мента не приведет к некоторому насыщению выходной мощности. Но в целом процесс гораздо сложнее: происходит распределение усиле­ния, способствующее возникновению самофокусировки излучения и формированию шнуров внутри лазерного резонатора. При уменьше­нии ширины полоски до 20 мкм и менее возрастают потери для мод высоких порядков. Тогда сразу за порогом генерации появляется только основная поперечная боковая мода. При дальнейшем увели­чении тока накачки появляются боковые поперечные моды высоких порядков по мере достижения их порога возбуждения. Уменьшение ширины полоски до 10 мкм и менее приводит к увеличению порога возбуждения мод высоких порядков до уровней, превышающих воз­можности лазера. Наличие боковых поперечных мод оказывает влияние на пространственное распределение интенсивности лазерно­го излучения и на ширину его спектра.

В ближнем поле излучения лазера при уширении полоски наб­людается тенденция к образованию шнуров (рис. 7). В дальнем поле при возбуждении только низшей поперечной пересекающей мо­ды в направлении, перпендикулярном плоскости перехода, наблюда­ется единственный максимум. Угловая расходимость излучения зави­сит от толщины активного слоя и скачка коэффициента преломления в гетероструктуре. На рис. 7. показана зависимость угла расходи­мости 0х от толодины активного слоя для разных

10

значений относи­тельной разности коэффициентов преломления Л. При существенном уменьшении толгщшы активного слоя поперечные моды проникают в слои покрытия активной области, что приводит к увеличению лазер­ного пятна (см. рис. 7) на выходном торце лазерного диода, По­этому с уменьшением толщины активного слоя будет уменьшаться угол расходимости. При Д = 8,7 % и d
= 50 нм угол 0i равен 30°. При угле 0 L
= 30° толщина активного слоя с уменьшением относительной разности коэффициентов преломления будет возрастать. Если в гетеролазере со скрытой гетероструктурой 0~30°, то оказывается воз­можным получить дальнее поле в виде круга.

Применяемые в настоящее время полосковые гетеролазеры с управляемым коэффициентом преломления могут работать как в не­прерывном, так и в импульсном режимах.

Рис. 7. Распределение интенсивности излучения GaAlAs-гетеролазера в ближней и

дальней зонах при разной ширине полоски

Если лазерный диод на основе GaAlAs излучает в непрерывном ре­жиме мощность свыше 6...9 мВт на квадратный микрометр излучаю­щей поверхности, то плотность энергии внутри активного элемента такова, что на частично отражающих гранях диода начинаются хими­ческие реакции. Зеркальные грани постепенно тускнеют в результате образования аморфного оксида. По истечении определенного времени работа лазерного диода ухудшается и он выходит из строя. При плот­ности 20...25 мВт на квадратный микрометр поглощение излучения на гранях скола приводит к возникновению процесса термического испарения. Поверхность при этом нагревается до 1500 К, начинается

11

плавление полупроводникового материала и лазерный диод вьгходит из строя. Пределы на максимальную выходную мощность лазерных диодов с катастрофической деградацией зеркал могут быть смягчены одним из трех способов:

1) увеличением размера лазерного пятна с целью увеличения разме­ров поверхности, подвергающейся воздействию излучения. Это позво­ляет увеличить мощность излучения до наступления деградации;

2) покрытием грани лазерного диода материалом с низким коэф­фициентом отражения для увеличения отношения пропускаемой мощности к падающей и, следовательно, к увеличению отношения излучаемой мощности к мощности внутри резонатора;

3) предотвращением поглощения лазерного излучения зеркала­ми, что позволяет не допустить деградации при высоких мощностях излучения.

Рис.7. Результаты расчета угла расходи­мости 0 выходного пучка гетеролазера по уровню половинной мощности (кружками отмечены эксперимен­тальные значения 0 ) при =1,31 мкм; -отношение толщины активного слоя к дли­не волны

Для увеличения размера лазерного пятна в активном элементе из­готавливается большая оптическая полость в виде светопгюводящего слоя, расположенного непосредственно под активным слоем. Основ­ная часть светового потока распространяется по оптической полости, в то время как излучение подводится из активного слоя, расположен­ного выше. Большинство лазерных диодов с управляемым коэффици­ентом преломления имеют лазерное пятно размерами 3 мкм в ширину и 0,6 мкм в высоту, что существенно больше размеров толщины активно­го слоя, поскольку примерно 50 % излучения проходит в покрываю­щих слоях. Такие лазеры могут надежно работать только при мощно­стях, не повышающих 3...5 мВт. Описанным выше способом поперечнный размер может быть увеличен до 1,5 мкм, а ширина до 6 мкм. Уве­личение размера лазерного пятна приводит к уменьшению расходи­мости лазерного луча. Так, лазер на основе GaAlAs при размерах пятна 3 мкм в ширину и 0,6 мкм в высоту дает эллиптический луч с расхождением = 12° и 0Х
= 45°, в то время как лазерные структуры с увеличенным размером лазерного пятна дают более узкие лучи:

12

Наиболее перспективные мощные одномодовые лазеры на основе GaAlAs, работающие при длинах волны менее 900 нм, делятся на три основных типа: структуры с большим оптическим резонатором, структуры с тонким активным слоем и структуры с непоглощающими зеркалами.

Рис. 8. Ватт-амперные характеристики Ga А1 As-гетеролазеров:

1 -
лазеры с большим оптическим резонато­ром;

2
- лазеры с тонким активным слоем;

3
- лазеры с зеркалами

Основной характеристи­кой, определяющей эффек­тивность лазерного диода, является ватт-амперная ха­рактеристика (рис. 8). Большинство мощных лазе­ров на основе GaAlAs дости­гают порога генерации при токе смещения 50... 100 мА, причем выходная оптическая мощность лазера увеличива­ется до тех пор, пока не на­чинается разрушение излу­чающей грани. В общем слу­чае наиболее эффективными являются лазеры с большим оптическим резонатором (рис. 8, кривые 1) по срав­нению с лазерами с тонким активным слоем (рис. 8, кривые 2). Наивысшая эф­фективность преобразования электрической энергии в световую для этих лазеров составляет 35 %, а при наличии антиотражающего покрытия на передней грани их эф­фективность возрастает на 50...70 %. Лазеры с непоглощающими зеркалами менее разработаны из-за технологических сложностей их изготовления (рис. 8, кривые 3).

В лабораторных условиях достигнута мощность излучения свыше 100 мВт в непрерывном режиме работы. Но стабильно работают мощные лазерные диоды в течение 10000 ч при уровне мощности от 15 до 30 мВт. Этот уровень мощности ограничен главным образом тепловыми эффектами.

Дальнейшее улучшение характера распределения линий тока под контактом, улучшение качества материалов и теплового режима рабо­ты лазера позволит достичь надежного уровня мощности в непрерыв­ном режиме до 30...40 мВт в промышленных лазерных структурах. Использование антиотражательных покрытий позволит еще поднять мощность до 50...60 мВт.

Важным применением лазеров на основе GaAlAs с высокой мощ­ностью являются волоконно-оптические распределительные системы связи, например, системы распределения данных в компьютерных сетях, цифровые телевизионные сети. В таких системах мощные лазе­ры могут распределять информацию на количество терминалов, в десять раз превышающее возможности имеющихся в настоящее время локальных сетей.

Наиболее важное применение мощные лазеры в настоящее время нашли в оптических записывающих системах, которые обещают ока­зать сильную конкуренцию магнитным лентам и дискам в записи и хранении информации в связи с их большей емкостью.

13

Скорость запи­си данных достигает рекордных величин и составляет 60 мегабайт в секунду- Мощные лазерные диоды на основе GaAlAs могут существен­но снизить стоимость и размеры быстродействующих лазерных прин­теров. Для этих целей использовали гелий-неоновые газовые лазеры, которые являются громоздкими и имеют коэффициент преобразования мощности ниже 0,1 %. Лазерные диоды компактные и имеют величину коэффициента преобразования мощности от 10 до 20 %, т.е. лишь 5-10 электронов требуется в лазерном диоде для генерации одного фотона.

Внутренние ограничения на максимальную оптическую мощность лазерных диодов можно снять путем создания многоэлементных фа­зированных инжекционных лазеров или фазированных лазерных ре­шеток. В пределах единой гетероструктуры интегрируется несколько десятков полосковых лазеров, потоки которых взаимодействуют ме­жду собой, что приводит к когерентному сложению их мощностей и все лазеры ведут себя как единый источник света с большой мощно­стью. Одновременно уменьшается угол расходимости излучения в плоскости гетероперехода. Например, линейная фазированная ре­шетка из 10 элементов с промежутками 5 мкм при длине излучения 850 нм может излучать мощность до 500 мВт при ширине пучка в 1°.

Надежные лазерные диоды могут революционизировать космиче­скую связь — передачу информации между спутниками. Эти лазеры компактнее, эффективнее и дают более коллимированные и менее дисперсионные пучки, чем микроволновые источники. Кроме того, при использовании техники деления длины волны можно передавать по одному каналу связи сигналы на разных длинах волн, что позво­лит существенно увеличить скорость передачи информации по срав­нению с микроволновыми источниками.

5.
Полупроводниковые лазеры, излучающие в области 1300...1600 нм

Лазеры на основе GaAlAs/GaAs, работающие в области длин волн 780...880 нм, применяют в системах оптической связи небольшой протяженности (бортовых, внутриобъектовых и внутригородских линиях связи). Чтобы в волоконно-оптических системах связи ис­пользовать оптический диапазон наиболее выгодный по дисперсии и потерям, в кварцевых волоконных световодах необходимо перейти к более длинноволновому излучению. Интерес к лазерным источникам длинноволнового диапазона вызван тем, что кварцевые волоконные световоды в диапазоне длин волн 1100... 1350 нм обладают мини­мальной дисперсией, а при = 1500...1700 нм — минимальными по­терями. Это является решающим при создании линий большой емко­сти и большой протяженности — магистральных и междугородних линий связи. Минимальные оптические потери 0,16 дБ/км световоды на основе кварцевых стекол имеют при длине волны 1570 нм. При такой длине волны десятикратное увеличение мощности одномодового длинноволнового лазера позволяет увеличить длину передачи сигнала на 60 км. С помощью мощных длинноволновых лазеров дан­ные могут передаваться на расстояния до 300 км практически без по­терь интенсивности сигнала. Лазерные диоды на указанный диапазон длин волн (1100...1700 нм) создают на основе изопериодных гетеро-структур четверных твердых растворов InGaAsP.

Достоинством InGaAsP и InP по сравнению с GaAlAs является от­сутствие алюминия, обладающего высокой химической активностью. Поэтому при выращивании InGaAsP и InP не требуется тщательной изоляции от кислорода и паров воды.

Хорошо согласованные решетки получают при соотношении кон­центраций в In Ga As Р соответственно у=
2,2х. Гетеролазеры по­лучены на основе двойной и скрытой гетероструктур для диапазонов 1200...1300 и 1500...1700 нм. Активные слои изготавливают из InGaAsP, а ограничивающие (слои покрытия) из InP. Подбором соста­ва In Ga AS P реализуют лазерное излучение на нужной длине волны.

14

Лазерный диод с длиной волны излучения 1300 нм

На рис. 9 показана типичная структура полоскового лазерного диода со скрытой гетероструктурой, излучающего при длине волны 1300 нм. При ширине полоски от 1 до 2 мкм пороговый ток изменяет­ся в пределах 20.. .50 мА, режим работы одномодовый. Диод способен надежно работать при плотности мощности 1010
Вт/м2
и размерах лазерного пятна 0,9 х 2,0 мкм. Выходная мощность ограничена глав­ным образом разогревом активного элемента.

Рис. 9. Структура лазерного диода со скрытой гетероструктурой InGaAsP с длиной волны излучения 1,3 мкм, с шириной полосы менее 2 мкм (выполнен с лазерным кристаллом на кремниевой подложке и повернутым р-слоем
вверх):

1
- n-подложка; 2
- n-слой; 3
- р-слой; 4
- активный слой InGaAsP; 5
- p-электрод; б
n
-электрод; 7 - припой

При комнатной температуре ватт-амперная характеристика линей­на до выходной мощности 20 мВт и внешний дифференциальный кван­товый выход составляет от 20 до 25 %. Лазер указанной конструкции стабильно и надежно работает при выходной мощности 5 мВт.

Лазеры с углубленной серповидной активной областью имеют улучшенные характеристики: низкую пороговую величину тока; одномодовый режим генерации; возможность работать при высокой температуре с высокой выходной мощностью; возможность высоко­скоростной модуляции; высокую надежность.

Серповидный активный слой из InGaAsP погружен и находится между верхним и нижним слоями покрытия из фосфида индия. С двух сторон от активного слоя образованы п.-
и p- слои фосфида индия в качестве слоев, ограничивающих ток. Изменяя состав активного слоя InGaAsP, можно реализовать генерацию лазерного излучения на дли­нах волн 1200,1300 и 1500 нм.

Полупроводниковый кристалл лазера монтируют в корпусе, по­добном корпусу транзистора, подключая его к выводам корпуса. Кроме того, в корпусе одновременно монтируют Inga As фотодиод для управления (контроля) выходным излучением.

На рис. 10 показаны результаты долгосрочной работы лазеров с углубленным серповидным активным слоем, генерирующих излуче­ние с длиной волны 1200 и 1300 нм.

15

Несмотря на то что работа лазеров была испытана при высокой температуре (70 °С) и выходной мощности 5 мВт после 4000 ч работы, для обоих лазеров были полу­чены малое изменение рабочего тока накачки, стабильная работа и высокая надежность.

Рис. 3.21. Рабочий ток накачки гетеролазера InGaAsP/InP при 70 "С и выходной мощности Р =
5 мВт:

а
- лазер с длиной волны излучения 1,2 мкм; б
- лазер с длиной волны излучения 1,3 мкм при эксплуатации в течение 4000 ч

16

Список литературы:

1. О.Звелто. Принципы лазеров. Издание третье. Мир, 1990

2. В. Мартынов, Г.Кольцов. Полупроводниковая оптоэлектроника. Москва, 1999

3. А. Борейшо. Лазеры: устройство и действие. Санкт-Петербург, 1992