Рис.3 Энергетические зоны
[ Список тем] страницы темы: [1] [2] [3]
Два главных конструктивных отличия есть у лазерного диода по сравнению со светодиодом:
1. Лазерный диод имеет встроенный оптический резонатор, который отсутствует у светодиода.
2. Лазерный диод работает при больших токах накачки, чем светодиод, что позволяет при превышении некоторого порогового значения получить режим индуцированного излучения. Именно такое излучение характеризуется высокой когерентностью благодаря чему ЛД имеют значительно меньшую ширину спектра излучения (1-2 нм) по сравнению со светодиодами (30-50 нм).
Лазеры, изготовленные из одного вида полупроводникового материала, называются
гомо-лазерами, например GaAs (арсенид галия). Более эффективны – гетеро-лазеры с
гетеро-переходами. В полупроводниковых лазерах переходы с оптическим излучением
происходят между двумя энергетическими зонами, см. рис.3
Обе зоны состоят из большого числа перекрывающихся уровней. Эти зоны разделены запрещенной зоной. Энергия WF соответствует уровню Ферми, и когда нет примесей (гомо-лазер), уровень располагается точно посередине запрещенной зоны, заселенность зон проводимости близка к нулю. Если в полупроводник внести примесь, то уровень Ферми сместится. Если примесь добавить в валентную зону, то уровень Ферми смещается к зоне проводимости и получается проводник типа n, если примесь в зоне проводимости, то уровень Ферми смещается к валентной зоне и получается проводник типа p.
В полупроводнике создается неравновесное распределение электронов по энергиям. Равновесие
восстановится путем спонтанных переходов электронов с излучением фотонов. Возможны и
вынужденные переходы под действием внешнего поля равновероятно с поглощением и излучением
фотонов. Резонансная частота перехода и соответствующая ей длина световой волны
0 определяется из условий:
Где:
h - постоянная Планка, 
с - скорость света
эВ (электрон'вольт), 
Главным элементом п/п лазера является тонкий активный слой или набор слоев, толщиной 0,1…0,5 мкм, из полупроводникового материала. Активный слой ограничен слоями с большим значением ширины Wg. Запрещенная зона – это энергетический барьер, который нужно преодолеть электрону, чтобы оторваться от решетки и перейти из валентной энергетической зоны в зону проводимости. Валентная зона – отвечает за химическое соединение между элементами и обеспечивает существование различных элементов. Переходы между полупроводниками из различных материалов, имеющих различную ширину запрещенной зоны, называются гетеропереходами. Гетеропереходы препятствуют утечке носителей в соседние слои.
Ток, при котором начинается генерация лазеров, называется пороговым током инжекции или током накачки. Величина тока должна быть большой, чтобы на пороге генерации усиление скомпенсировало поглощение в активном слое, вне его и потери на вывод излучения через зеркала, приведенные к единице длины.
Четыре основных типа лазерных диода получили наибольшее распространение: с резонатором Фабри – Перо; с распределенной обратной связью; с распределенным брэгговским отражением; с внешним резонатором.
Резонатор в таком лазерном диоде образуется торцевыми поверхностями, окружающими с обеих сторон гетерогенный переход. Одна из поверхностей отражает свет с коэффициентом отражения, близким к 100%, другая является полупрозрачной, обеспечивая, таким образом, выход излучения наружу. Рис. 4.
Для усиления света определенной длины волны необходимо выполнение двух условий:
должна удовлетворять условию 2D = N ,
где D – диаметр резонатора
Фабри – Перо, а N – некоторое целое число.
Следует отметить, что даже в случае, когда соседние максимумы малы, то есть когда
реализуется одномодовый режим излучения и 
мало, с ростом скорости
передачи у лазера Фабри-Перо наблюдается перераспределение мощности в модах, которое
приводит к паразитному эффекту – динамическому уширению спектра
(до 10 нм при частоте модуляции 1-2 ГГц).
Существенно лучшими характеристиками обладают три других более совершенных типов
лазерных диодов, рис.5. Периодическая структура ограничивает излучение до одной длины волны
У этих двух довольно схожих типов лазеров имеется встроенный оптический резонатор типа
Фабри-Перо, в который добавлена периодическая пространственная модуляционная структура.
В ЛД с РОС периодическая структура совмещена с активной областью, в ЛД с РБО – вынесена
за пределы активной области. Периодическая структура влияет на условия распространения и
характеристики излучения.
Преимущества данных лазеров:
- Уменьшение зависимости длины волны излучения от тока накачки и температуры лазера.
- Высокая стабильность одномодовости.
- Практически 100 % глубина модуляции.
- Позволяют реализовать совмещение лазерных источников с интегрально-оптическими схемами
на одной подложке.
Основными их недостатками являются: сложная технология изготовления, высокая цена.
Один или оба торца лазера покрываются специальным слоем, уменьшающим отражение и одно или два зеркала ставятся со стороны активной области. В данном лазере антиотражающее покрытие уменьшает коэффициент отражения примерно на четыре порядка. Для улучшения обратной связи между зеркалом и активным элементом устанавливается линза. Зеркало совмещает функции дифракционной решетки.
Изменяя расстояние до зеркала и разворота зеркала–решетки, тем самым изменяя шаг решетки,
можно плавно менять длину волны излучения. Диапазон настройки может достигать 30 нм,
поэтому данные лазеры незаменимы при разработке аппаратуры волнового уплотнения и
измерительной аппаратуры для ВОЛС.
Преимущества таких лазеров:
- Узкая линия генерации.
- Хорошая фазовая стабильность.
- Широкий диапазон перестройки.
1. Отличительные особенности ЛД от СИД.
2. Какие зоны имеются в п/п лазерах и их назначение?
3. Поясните назначение гетеро-переходов.
4. Что такое гомо-лазер и гетеро-лазер?
5. Поясните принцип действия ЛД с ВР.
[ Список тем] страницы темы: [1] [2] [3]
