Источники излучения. Лазеры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 4. Источники излучения. Ч.3

Лазеры. Физические основы работы. Типы лазеров, примененных в оптоэлектронных приборах. Структуры. Параметры. Оптический передающий модуль

4.1 Лазеры. Физические основы работы

полупроводниковый лазер оптический модуль

Лазеры в настоящее время являются основой когерентной оптоэлектроники, так как характеризуются высокой монохроматичностью излучения. Термин образован первыми буквами английской фразы “Light amplification by stimulated emission of radiation ”(усиление света посредством вынужденного излучения).

Молекула, как и атом, обладает дискретным энергетическим спектром , и число разрешенных уровней гораздо больше, чем у одиночных атомов. Квантовые переходы электронного характера, как и в случае атома, соответствуют световому и рентгеновскому диапазонам. Уровни, обусловленные колебаниями атомов молекулы, обеспечивают квантовые переходы с инфракрасным излучением. Вращение молекул обусловливает переходы с излучением сантиметровых и миллиметровых волн.

Среднее время жизни атомов или молекулы в возбужденном состоянии ф-10^-8с.

Резонансные частоты квантовых переходов fki образуют в совокупности спектр излучения или поглощения. В идеальном случае это совокупность бесконечно узких спектральных линий. В действительности ширина их конечна, что объясняется как внешними воздействиями (тепловые колебания атомов, влияние электрических и магнитных полей, эффект Допплера и т.д.), так и соотношением неопределенности Гейзенберга:

,

где ?E - неопределенность энергии уровня Em;

ф - время жизни частиц на уровне Еm.

Естественная ширина спектральной линии ?fест не связана с внешними воздействиями, обусловлена спонтанными переходами и для газообразного аммиака при частоте перехода f = 24370 МГц равна 10^-3 Гц. С учетом внешних влияний ширина линии возрастает на несколько порядков.

Возможны и безызлучательные переходы, которые индуцируются фотонами.

В естественных условиях населенность электронами верхнего уровня меньше, чем нижнего в соответствии с формулой Больцмана

где К = 1,38*10-23 Дж/К - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура.

Для создания когерентного светового излучения необходимо предварительно осуществить инверсию населенностей, в результате которой верхний уровень оказывается больше заселенным, чем нижний.

Для создания инверсии населенностей необходимо внешнее воздействие: разряд в газах, возбуждение светом или электронным лучом, инжекция носителей заряда p-n переходом.

Исторически первым в I960 г. был создан твердотельный лазер на рубине.

Рубин - это корунд (Al2O3), в котором часть атомов Al замещена ионами хрома Cr+++. Содержание хрома в кристалле рубина приблизительно 0,05%, что приводит к слабому взаимодействию ионов Cr+++. В результате их энергетический спектр соответствует спектру свободного атома Cr. в сильном поле кристалла, расширяющем уровни.

Накачка (возбуждение) осуществляется на волнах 5600 и 4100 А, принадлежащих к зеленой и синей частям спектра с помощью газоразрядной ксеноновой лампы. Ионы хрома при возбуждении переходят на уровни 3 и 4 (рис.1.13), меньшая часть возбужденных атомов спонтанно переходит на основной уровень I, а большая часть излучения - на уровень 2, населенность которого возрастает и создается инверсия населенностей по отношению к уровню I.

Создаются условия для вынужденного перехода с уровня 2 на уровень I, сопровождающегося генерацией красного света с длиной волны 6943 А.

Система уровней Cr. удобна для создания лазера. "Широкие" уровни 3 и 4 позволяют использовать ксеноновую лампу-вспышку, излучающую "белый" свет с широким спектром. При этом активное вещество поглощает до 15% света. "Узкие" уровни 2 и I, между которыми осуществляется излучательный переход, обеспечивают высокую монохроматичность генерируемого света. Поскольку поглощается лишь часть энергии накачки, которая в основном преобразуется в теплоту при безызлучательных переходах, КПД рубинового лазера составляет не более 1%. Сильный нагрев рубинового стержня препятствует применению непрерывного режима работы. Поэтому твердотельные лазеры на рубине работают преимущественно в импульсном режиме с охлаждением проточной водой или жидким азотом. Помимо рубина в твердотельных лазерах можно использовать флюорит кальция, легированный диспрозием или самарием, неодимовое стекло, вольфрамат кальция с примесью неонов неодима и т.д.

В газовом лазере активной средой служит газ или смесь газов (углекислый газ CO2 с добавлением молекулярного азота и гелия, смесь гелия с неоном и т.д.). Инверсия населенностей создается чаще всего в процессе электрического разряда, при котором возникают быстрые электроны, передающие свою энергию частицам газа при соударениях.

Для гелий-неонового лазера в качестве генератора накачки применяется генератор на частоте 30 МГц мощностью порядка 50 Вт.

В настоящее время газовые лазеры перекрывают диапазон волн от ультрафиолетового излучения (л ~ 2000 А) до субмиллиметровых волн.

В жидкостных лазерах рабочим веществом является жидкость. Наиболее перспективны неорганические жидкости на основе окиси хлорида фосфора и галогенидов металлов, а также окиси хлорида селена с четыреххлористым оловом. Активное вещество - неодим - растворено в одной из таких жидкостей в количестве нескольких процентов. Жидкостные лазеры позволяют генерировать свет на любых частотах невидимой в ближней инфракрасной областей спектра.

Полупроводниковые лазеры характеризуются тем, что у них дискретные энергетические уровни из-за высокой плотности активных частиц превращаются в широкие зоны. Поэтому КПД полупроводниковых лазеров теоретически близок к 100%, а на практике составляет около 50%. Однако, по этой же причине, полупроводниковые лазеры по степени монохроматичности излучения уступают газовым, жидкостным и твердотельным.

Инверсия населенностей в полупроводнике состоит в том, что на дне зоны проводимости и потолке валентной зоны образуется большое число соответственно свободных электронов и дырок. Накачка осуществляется током большой плотности (10⁴...10⁶ А/см) через р-n- переход. Вынужденное излучение происходит при переходе электронов из зоны проводимости на свободные уровни валентной зоны. При этом происходит рекомбинация дырок и электронов и внешнее излучение с длиной волны, соответствующей разности энергий перехода.

4.2 Типы лазеров, примененных в оптоэлектронных приборах. Структуры. Параметры

В силу технологических особенностей, компактности, высокой эффективности и совместимости с микроэлектронными компонентами полупроводниковые лазеры являются практически единственным типом лазеров (за немногими исключениями), применяющимся в оптоэлектронике.

Инжекционные лазеры на гомо- и гетеропроходах по конструкции напоминают светодиоды. Инверсия населенностей энергетических уровней может быть достигнута путем инжекции носителей заряда через р-n переход. Для излучения генерируемого прямозонным полупроводником должно выполняться условие hл~е_g поэтому необходимо, чтобы инжектируемые (возбуждаемые) электроны получали достаточные порции энергии, т. е. чтобы имело место неравенство

, (1.14)

где Uр-п -- приложенное к р--n-переходу прямое напряжение. Условие (1.14) может быть выполнено лишь при использовании полупроводников, столь сильно легированных, что в них благодаря вырождению уровень Ферми располагается в зоне проводимости и в валентной зоне для п- и p-областей кристалла соответственно (рис. 1.12.а).

Роль оптического резонатора в полупроводниковых лазерах (ПЛ) играют зеркальные сколы граней кристалла, перпендикулярных плоскости р--n-перехода. При пропускании через р--n-переход достаточно большого прямого тока может возникнуть когерентное излучение.

Инжекционные лазеры на гомопереходах (Рис.1.12) были созданы на GаАs. однако оказалось, что значения их параметров неудовлетворительны: очень высокая пороговая плотность тока, низкий к.п.д. следствие этого, низкая рабочая температур, малая долговечность.

Лишь изобретение и создание лазеров с гетероструктурой (Рис.1.12,см. стр. 20) -- гетеролазеров -- позволило устранить присущие гомогенным структурам недостатки и экспериментально подтвердить предсказываемые достоинства ПЛ. В гетеролазере нет необходимости легировать полупроводник до вырождения - условие (1.14) выполняется за счет различия е_g1 и е_п2, а высокая концентрация носителей заряда в средней области может быть достигнута благодаря суперинжекции. Снижение уровня легирования способствует уменьшению потерь на безызлучательную рекомбинацию и повышению з_int.

Односторонняя инжекция, свойственная гетеропереходам, ведет к тому, что все избыточные носители заряда сосредоточиваются в активной средней области, их проникновение в широкозонные эммитеры ничтожно. Наконец, важен и присущий гетероструктурам волноводный эффект, заключающийся в концентрировании расространяющейся световой волны внутри оптически более плотного среднего слоя.

Таким образом, в инжекционном гстеролазере (в отличие от ПЛ на гомогенном полупроводнике) области инверсии населенности, рекомбинации носителей заряда и распространения светового излучения почти полностью совпадают и сосредоточены в активном среднем слое. Это обусловливает в десятки раз меньшую (чем в гомогенных ПЛ) пороговую плотность тока и больший к. п. д., что, в свою очередь, позволяет осуществить непрерывный режим генерации при комнатной температуре.

Основные достоинства ПЛ заключаются в следующем:

1. Малые габариты, компактность: теоретически минимальные размеры резонатора близки к 10 мкм. В отличие от других видов лазеров в полупроводниковых генерация связана не с отдельными дискретными уровнями, а с переходами зона--зона, поэтому оптическое усиление может быть очень значительным (Кл~10³ ... 10⁴ см^-1).

2. Высокии к. п. д., приближающимся к теоретически предельному значению (^100%). Как и в светодиодах, з_int ~100%; потери на отражение при выводе светового луча, перпендикулярного границе раздела кристалл-- воздух, могут быть уменьшены до единиц процентов.

3. Удобство возбуждения. Основной механизм накачки--инжекционный -- по величинам питающих напряжений и токов совместим с интегральными схемами, а кроме того, позволяет изменять выходную мощность без применения внешних модуляторов.

4. Высокое быстродействие при работе лазера в режиме переключения: предельное теоретическое значение времени релаксации близко к 10^-12 с, экспериментально получено менее 10^-10 с.

5. Возможность генерации требуемой спектральной линии. Это достигается выбором или синтезом прямозонного полупроводника с необходимым значением е_g. Экспериментально лазерная генерация при различных механизмах накачки наблюдалась более чем в трех десятках полупроводников с перекрытием диапазона по л от 0,2 ... 0,4 до 10 ... 20 мкм.

6. Относительная простота отвода тепла, обусловленная малыми габаритами и высоким к. п. д. приборов.

7. Технологическая совместимость с элементами оптических интегральных схем (см. гл. 6).

Полупроводниковым лазерам присущи и существенные недостатки. Во-первых, невысокая степень когерентности излучения как по ?л, так и по ц изл. что объясняется высокой плотностью активного вещества, малой длиной резонатора, и малой выходной апертурой. Практически для большинства применений, использующих когерентность световой волны (голография), промышленные образцы ПЛ пока непригодны. Во-вторых, низкая долговечность, обусловленная высокой плотностью тока накачки, технологическими несовершенствами, а также недостаточной изученностью деградационных явлений. Невысокая температурная и радиационная устойчивость ПЛ для очень многих случаев применения не создает принципиальных ограничений.

Разработка новых конструкций ПЛ, синтезирование более совершенных лазерных материалов, достижение на отдельных лабораторных образцах высокой степени когерентности и высокой долговечности позволяют оптимистически оценивать перспективу превращения полу-проводниковых лазеров в надежное и универсальное средство оптоэлектроники.

Лазер с двойной гетероструктурой (ДГС-.тзер) и с полосковой геометрией электрода (рис. 1.13) представляет собой оптимальную конструкцию ПЛ. Теоретические и экспериментальные исследования двойных и одинарных гетероструктур (например, п-GаАs--р-GаАS-- p+-GаА1Аs) привели к заключению, что пороговая плотность тока пропорциональна толщине активного слоя:

Рис. 1.13. Устройство лазера с двойной гетероструктурой (ДГС-лазер).

Jпор=жd, причем для ДГС-лазеров на основе GаAs-- GаА1Аs при комнатной температуре ж ~ (3 ... 5кА/см²*мкм). Если пренебречь некоторым снижением Jпор при уменьшении lр, то легко получить

,(1.15)

т. е. пороговый ток генерации пропорционален объему активного вещества Va (приближенное равенство в (1.15) дано для ДГС-лазеров на основе GаАs--GаAlAs. Величина Jпор очень резко возрастает при повышении температуры: (Иногда используют ) (переход от азотной температуры к комнатной ведет к увеличению Jпор в 5 ... 20раз).

Для наиболее совершенных ДГС-лазеров на основе GаАs--GаА1Аs удалось при комнатной температуре получить Jпор<1 кА/см². Двойная гетероструктура позволяет получать низкие пороги генерации и на других материалах. Так, при продвижении в длинноволновую область для опытных образцов GaInAsp--InP -лазеров (л=1,1 мкм) при d=0,6 мкм получено Jпор=2,8 кА/см², а для GaAlAsSb--GaAsSb лазеров л=1 мкм при d=0,5 мкм Jпор=2,1 кА/см²

При уменьшении толщины активной области до значение d, соизмеримых с л/2 *(Здесь учитывается длина волны излучения внутри полупроводника, значение которой примерно в 3 раза меньше, чем в воздухе.), резко возрастает роль дифракционных явлений и волноводные свойства активной области ухудшаются: значительная часть световой энергии бесполезно тратится в пассивных областях, угловая расходимость луча при выходе из торца кристалла оказывается неприемлемо большой. Противоречивые требования к толщине активной области удается частично обойти при создании структур, содержащих еще большее, чем в ДГС-лазере, число слоев (рис. 1.14), позволяющих пространственно разделить генерацию и канализацию света. Так, в пятислойном, лазере (рис. 1.14,6) тонкий (~0,2 мкм) центральный слой выполняет электронные функции (накопление и рекомбинация носителей заряда), а световодом являются три внутренних слоя.

При попытке снизить величину Jпор уменьшением ширины активной области становится существенным растекание тока и инжектированных носителей в боковые области. Для ослабления этого эффекта разработана конструкция ДГС-лазеров с нитевидной структурой (рис. 1.15) в которой активное вещество не с двух, а с четырех сторон окружено широкозонным полупроводником. При площади поперечного сечения излучающей области, равной 1х1 мкм², получены рекордно малые значения порогового тока (--15 мА). К сожалению, технология изготовления таких приборов очень сложна и не дает воспроизводимых результатов.

Уменьшение выходной апертуры не может осуществляться беспредельно, так как при этом падает мощность излучения и увеличивается угловая расходимость луча. Новые возможности для преодоления этих трудностей открывает создание конструкции лазера с распределенной обратной связью--основного элемента оптических интегральных схем (см. п. 6).

Рис. 1.15. Конструкция ДГС-лазеров с нитевидной активной областью.

Деградация инжекционных полупроводниковых лазеров связана с очень высокими плотностями электрического тока, потоков оптической и тепловой мощности, характерными для их работы. Все виды отказов лазеров в процессе эксплуатации делят на катастрофические и постепенные (деградационные).

Катастрофический отказ, свойственный режимам получения максимальной мощности излучения, заключается. как правило, в разрушении зеркальных поверхностей резонатора или в появлении трещин, оплавлений вблизи активной области генерации. Кроме таких технологических недостатков, как трещины и сильные механические напряжения, низкое качество контактов и теплоотвода, основной причиной катастрофических отказов является высокая плотность оптической мощности, воздействующей на зеркала резонатора. Эта причина принципиально неустранима и ограничивает предельные мощностные возможности ПЛ.

Одним из эффективных путей уменьшения вероятности катастрофических отказов является снижение электрической нагрузки (что вполне приемлемо для большинства оптоэлектронных устройств, использующих лазеры), а также введение технологических тренировок и отбраковок.

Сложнее обстоит дело с постепенной деградацией ПЛ. Исследования показали, что деградация полупроводниковых лазеров связана не с генерацией света, а с длительным протеканием через структуру электрического тока большой плотности; механизм старения тот же , что и в светоизлучающих диодах, но все процессы протекают значительно интенсивнее.

Основным деградационным эффектом является увеличение концентрации безызлучательных центров в активной области за счет миграции атомов (ионов) неконтролируемых примесей и образования новых дефектов. Кроме того имеют место частичная дезактивация излучательных центров, а также возрастание поверхностных утечек и скорости поверхностной рекомбинации.

При измерениях деградация проявляется в уменьшении Ризл и зext и в возрастании Jпор; определяющие математические закономерности--те же, что и для светоизлучающих диодов--формулы (1.9) и (1.10), причем практически всегда фдег--J^-2, т. е. достигнуть высокой долговечности лазера можно, лишь снизив пороговую плотность тока.

К числу важнейших технологических средств замедления деградации относятся:

-- оптимизация полупроводникового материала в направлении достижения однородности его структурных и температурных свойств во всех областях кристалла (так, например, резкое повышение долговечности ДГС-лазеров достигнуто при добавлении небольшого количества А1 или Р в активный средний слой);

-- совершенствование конструкции кристалла: применение очень «мелкой» полосковой структуры, повышение прочности и теплопроводности контактов и т. п.;

-- улучшение монтажа кристалла и теплоотвода.

Теоретические оценки показывают, что предел долговечности инжекционных ПЛ может превышать 10⁵ ч, экспериментально-технологические работы, проводимые во многих лабораториях мира, уже показали, что этот предел может достигать 10⁴ ч. Долговечность промышленных образцов, к сожалению, на один--два порядка ниже.

Полупроводниковые лазеры излучают когерентный свет из периферии р-n перехода. В других направлениях каналирование отсутствует. КПД инжекционных лазеров достигает 70%, однако малая выходная апертура (порядка 1000х1 мкм) создает высокую дифракционную расходимость светового потока.

В настоящее время выполняемые исследования и разработки концентрируются на создании инжекционных лазеров на гетеропроходах (в основном GaAs-GaAlAs) , в том числе на составных системах с несколькими гетеропроходами. В последнем случае возможна работа в непрерывном режиме и при комнатной температуре.

В импульсных режимах достигаются мощности 10...100 Вт, в непрерывных - единицы милливатт. Длина волны составляет 900+?2 нм, а ее температурный уход до 0,25 нм на 1 °С. Срок службы лазеров -примерно 10000 ч. Созданы матрицы лазеров с количеством диодов до 48 и 64. Сравнительные характеристики различных лазерных структур приведены в табл.1.5.

4.3 Оптический передающий модуль

Оптический передающий модуль состоит из оптической головки и электронной схемы, предназначенной для модуляции светового потока. Модуль характеризуется следующими параметрами: диапазоном рабочих температур, мощностью излучения, пиковым значением длины волны излучения, шириной спектральной полосы (на половине высоты пика), временем нарастания импульса , сроком службы, напряжением в цепи питания пространственным распределителем мощности излучения на выходе.

Основная часть модулей работает в диапазоне температур 50...80 °С. Отдельные модули могут работать при температурах -40... ...+70 °С. Пиковое значение длины волны приводится обычно для температуры +25°С. Этот параметр уменьшается с понижением температуры. Мощность излучения, отнесенная к мощности при +25 °С, падает с увеличением температуры.

В оптической головке могут размещаться светодиод и модулятор, либо лазерный диод (ЛД), модулятор, фотодиод и электронная схема стабилизации режима ЛД.

Принципиальная схема простейшего оптического передающего модуля показана на рис. 1.14.

Светодиод монтируется на теплоотводящем радиаторе, а излучение выводится наружу с помощью волокна, к которому присоединяется внешняя световодная линия. В корпусе головки размещается модулятор, представляющий собой микросхему - преобразователь "напряжение-код", управляющую током светодиода.

Размещено на Allbest.ru