Полупроводниковый лазер с гетероструктурой

Лучшими технико-экономическими показателями обладают полупроводниковые лазеры, использующие гетероструктуры.

Энергетические диаграммы гетероструктур характеризуются различными потенциаль­ными барьерами для встречных потоков электронов, что вызывает одностороннюю инжекцию носителей заряда из широкозонного эмиттера в узкозонную базу. При этом концентра­ция инжектированных в базу носителей может на несколько порядков превышать свое рав­новесное значение в эмиттерной области. В гетероструктуре оптические свойства слоев эмиттера и базы отличаются, так как запрещенная зона эмиттера значительно шире запре­щенной зоны базы, а показатель преломления п зависит от ширины запрещенной зоны. В гетеролазере нет необходимости легировать полупроводник до вырождения, так как усло­вие инверсии населенностей энергетических уровней выполняется за счет разницы в шири­не запрещенных зон. Высокая концентрация носителей в средней области структуры дости­гается за счет повышения уровня инжекции. Снижение уровня легирования способствует уменьшению потерь на безызлучательную рекомбинацию и повышению внутренней кван­товой эффективности.

Первые инжекционные лазеры имели плотности порогового тока до 10⁵ А/см² при 300 К и поэтому не могли работать в непрерывном режиме при комнатной температуре.

Избежать этого недостатка удается при использовании гетероструктур. В них за актив­ной областью p-п-перехода следует полупроводниковый слой с большей шириной запре­щенной зоны и меньшим показателем преломления для лучшего пространственного огра­ничения носителей и оптического излучения. Это способствует уменьшению порогового тока лазеров с одиночной гетероструктурой до 10⁴ А/см² при комнатной температуре. Еще лучшими показателями обладают лазеры с двойной гетероструктурой (ДГС). Разра­ботан ДГС-лазер, который при комнатной температуре имеет плотность порогового тока всего 1600 А/см². Лазер выполнен на основе тройного полупроводникового соединения GaAlAs. Активный слой из р — GaAs с узкой запрещенной зоной имеет, толщину значи­тельно меньше 1 мкм и ограничен с обеих сторон слоями Ga_xAl_1-xAs с широкой запрещен­ной зоной. Пороговый ток существенно уменьшен за счет полосковой геометрии. Полоску вытравливают в тонком слое SiО₂, осажденном на полупроводниковый кристалл, и вскры­вают окно под металлический контакт. Благодаря этому накачке подвергается только часть активной области под полоской. Применив лазер длиной 400 мкм с полоской шири­ной 13 мкм, получили пороговый ток 300 мА при комнатной температуре. Более того, ла­зеры с полосковой геометрией сделали возможной работу на одной поперечной моде и на одной частоте, тогда как первые инжекционные лазеры характеризовались многомодовым спектром.

В простейшем инжекционном лазере толщина активного слоя соизмерима с длиной вол­ны. Поэтому возникает дифракция света, в результате которой фотоны «растекаются» в прилегающие к активному слою области. Это явление резко уменьшает мощность, расширя­ет спектр и ухудшает направленность излучения.

Лазер с гетероструктурой (рис. 5.15), кроме активного слоя (например, GaAs), содержит слои (например, AlGaAs), энергия запрещенной зоны которых выше, чем энергия запрещен­ной зоны активного слоя. Поэтому стимулированные фотоны удерживаются в активной об­ласти, и мощность излучения при том же токе накачки, что и в простейшем лазере, увеличи­вается, Кроме того, показатель преломления активной области больше, чем у гетерослоев. В результате при возникновении излучения в активной области возникает полное внутрен­нее отражение от ее границ, что приводит к росту и мощности, и направленности излуче­ния. Как видно из рис. 5.15, верхний электрод полупроводникового лазера выполнен в виде узкой полоски.

Это превращает активный слой в волновод, на выходе которого имеет место мощное, однородное и остронаправленное излучение. Спектр такого излучения очень узкий и в ос­новном содержит одну моду, что позволяет применить данный лазер для возбуждения одно­модовых оптических волокон.

Односторонняя инжекция, характерная для гетеропереходов, ведет к тому, что все из­быточные носители зарядов сосредоточиваются в активной средней области, их проникно­вение в эмиттер ничтожно мало. Положительную роль играет также волновой эффект, спо­собствующий концентрированию волны излучения внутри оптически более плотного сред­него слоя структуры. В конечном итоге гетеролазеры по сравнению с гомогенными имеют в десятки раз меньшую пороговую плотность тока и больший КПД, что, в свою очередь, позво­ляет осуществить непрерывный режим генерации при комнатной температуре.

2.7. Волоконные лазеры

Перечислим преимущества волоконно-оптических лазеров по сравнению с традиционными:

- обладают высокой стабильностью и надежностью;

- обеспечивают высокое качество выходного излучения;

- обеспечивают эффективный теплоотвод;

- имеют малые габариты и массу.

Конструкция волоконного лазера на основе активного волоконного световода приведе­на на рис. 5.17. Он содержит узел накачки с волоконным выходом LD (как правило, мощ­ный лазер); активный одномодовый волоконный световод с диаметром сердцевины d_c = 10...30 мкм; внутриволоконные решетки показателя преломления, выполняющие функ­ции зеркал лазера.

Благодаря полностью волоконной конструкции такие лазеры обладают низкими оптиче­скими потерями. Типичная длина активного волоконного световода составляет 5...50 м. Левая входная брегговская решетка имеет коэффициент отражения на длине волны генера­ции, близкий к 100%, а коэффициент отражения правой выходной решетки существенно ниже (примерно 5 %) и определяется величиной усиления и оптических потерь излучения в активном волноводе. Брегговские решетки могут быть созданы как непосредственно в ак­тивном световоде, так и в отрезке фоточувствительного световода, который сваривается с активным.

Изготовление решеток показателя преломления основано на явлении фоточувствитель­ности. Это явление заключается в изменении показателя преломления сердцевины светово­да под действием УФ-излучения определенных длин волн. Как правило, волоконные брегговские решетки показателя преломления представляют собой отрезок волоконного свето­вода с модуляцией показателя преломления в световедущей области с периодом порядка половины длины распространяющегося излучения.

В качестве активных легирующих добавок волоконных световодов найдены ионы лан­таноидов или редкоземельных материалов. Для создания эффективных волоконных лазеров средней и вы­сокой мощности особый интерес представляет активное волокно, легированное ионами Y_b.

В схеме уровней итербиевого лазера Y_b³⁺, кроме основного уровня F_7/2, существует един­ственный возбужденный уровень F_5/2. Отсутствие других энергетических уровней вплоть до ультрафиолетового диапазона означает, что в данной системе в области длин волн, близких к длине волны генерации, не будет иметь место поглощение из возбужденного состояния и различные кооперативные явления. Это приводит к высоким значениям кпд лазеров и по­зволяет существенно увеличить концентрацию активной примеси по сравнению с такими распространенными легирующими добавками, как неодим и эрбий.

Использование световодов с высокой концентрацией активной примеси позволяет умень­шить длину активной среды лазера, а, значит, и уменьшить отрицательное влияние различных нелинейных эффектов и дополнительных оптических потерь на эффективность лазера.

2.8. Волоконные лазеры на основе ВКР

Волоконные лазеры на основе вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР-лазеры) по­зволяют эффективно преобразовывать лазерное излучение накачки в излучение на более низких частотах, используя явление вынужденного комбинационного рассеяния света в во­локонном световоде. Таким образом, создаются лазеры с различными новыми диапазонами волн в широком диапазоне частот.

Современные волоконные световоды представляют собой уникальную среду для реали­зации ВКР-лазеров: низкие оптические потери позволяют использовать большие длины све­товодов; применение различных стекол дает возможность выбора величины частотного сдвига стоксова излучения.

Первые ВКР-лазеры имели гибридные конструкции, содержавшие как волоконные, так и объемные элементы. Необходимость согласования элементов и юстировки лазеров за­трудняет работу с ними, снижая эффективность и ограничивая области их применения. Использование брегтовских решеток для создания обратной связи существенно упро­стило конструкцию ВКР-лазеров, подняло их эффективность и обеспечило создание много­каскадных лазеров-преобразователей. Схема ВКР-лазера полностью волоконной конструк­ции приведена на рис. 5.18

Как видно из рисунка, ВКР-лазер состоит из волоконного световода и набора брегговских решеток с резонансными длинами волн, соответствующим стоксовым сдвигам в мате­риале световода. При этом брегговские решетки, соответствующие промежуточным длинам волн, имеют коэффициент отражения, близкий к 100%. Для получения излучения с длиной волны 1,48 мкм при использовании германосиликатного световода требуется пять каскадов преобразования.

Упростить конструкцию можно, если использовать в качестве активной среды ВКР-лазера световод с сердцевиной, легированной оксидом фосфора. В спектре ВКР-усиления тако­го световода содержится узкая полоса с центральной длиной волны, сдвинутой на 1330 см^-1, что в три раза больше, чем сдвиг в максимуме усиления для германосиликатного световода.

Схема ВКР-лазера, работающего на двух длинах волн приведена на рис. 5.19.

Здесь резонатор лазера образован лишь одной парой решеток, что позволяет предпола­гать взаимную когерентность излучения на разных длинах волн. Полупроводниковый лазер с длиной волны около 980 нм и максимальной мощностью 4 Вт используется для накачки волоконного лазера на основе световода с двойной оболочкой, легированного ионами Yb³⁺.

Резонатор Yb³⁺-лазера сформирован двумя брегговскими решетками — входной с коэф­фициентом отражения R = 1 и выходной с R = 0,2.

Иттербиевый лазер имеет длину волны излучения 1080 нм и максимальную мощность 2,5 Вт. Излучение вводится в ВКР-лазер на основе волоконного световода с сердцевиной из германосиликатного стекла, молярная концентрация двуокиси германия в сердцевине со­ставляет около 4%.

Волоконные ВКР-лазеры находят широкое применение в качестве источников накачки рамановских волоконных усилителей и улучшения их шумовых характеристик.

Динамику развития волоконных лазеров иллюстрирует рис. 5.20.

Спектральные диапазоны работы волоконных лазеров приведены в табл. 5.1.

Рис. 5.20. Динамика развития волоконных лазеров