1. Ознакомиться с принципом работы и конструкционными особенностями полупроводниковых лазеров.
2. Измерить зависимость интенсивности излучения полупроводникового лазера от величины тока, протекающего через p-n переход.
3. Исследовать степень поляризации излучения полупроводникового лазера в зависимости от тока, протекающего через p-n переход.
4. Проанализировать изменение параметров излучения в светодиодном и лазерном режимах работы лазерного модуля.
СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Полупроводниковый лазер – лазер, активной средой которого является полупроводниковый кристалл, а точнее, область p-n перехода.
В полупроводниковой активной среде можно достигнуть большого оптического усиления, что обусловливает возможность использования активных элементов малых размеров (длина резонатора 50 мкм – 1 мм) и обеспечивает компактность таких лазеров. Помимо компактности, полупроводниковые лазеры обладают высоким кпд (до 50%). Большой выбор современных полупроводниковых материалов даёт возможность получать генерацию в широком спектральном диапазоне (от 0,3мкм до 30 мкм). Эти качества обеспечили полупроводниковым
лазерам широкое применение в оптоинформатике – в различных оптических и оптоэлектронных устройствах передачи, обработки, хранения и отображение информации.
Для достижения генерации лазера любого типа (полупроводникового, газового, жидкостного или твердотельного) необходимо выполнение двух основных требований: 1) создание инверсной населённости; 2) наличие резонатора для обеспечения положительной обратной связи и квантового усиления.
В отличие от лазеров других типов, в полупроводниковых лазерах используются излучательные переходы между разрешёнными энергетическими зонами, а не между дискретными энергетическими уровнями. Инверсная населённость создаётся с помощью инжекции через p-n переход неравновесных носителей тока, путём приложения внешнего напряжения в прямом направлении. Дело в том, что распределение электронов по возможным энергетическим уровням в полупроводниках зависит от концентрации примеси и температуры кристалла. При этом для каждой температуры существует вполне определённое распределение электронов по энергетическим состояниям. При изменении температуры через некоторое время устанавливается равновесие электронов и атомов и происходит новое распределение электронов по энергетическим уровням. При этом часть электронов может обладать энергией, достаточной, чтобы перейти в зону проводимости и стать свободными носителями тока. Эти свободные носители, существующие при тепловом равновесии, называются равновесными носителями тока. Если возбуждение электронов происходит не в результате теплового воздействия, а за счёт других процессов, например, путём освещения полупроводника или путём приложения электрического поля, то в течение относительно длительного времени электроны могут обладать температурой, большей, чем температура атомов, что приводит к увеличению электропроводности, и такие электроны (и дырки) называются неравновесными носителями тока. Наряду с генерацией неравновесных носителей существует обратный процесс – рекомбинация электронов и дырок – переход электронов из зоны проводимости в валентную зону, в результате чего происходит исчезновение электронов и дырок. Рекомбинация может сопровождаться излучением фотонов, что и лежит в основе работы полупроводниковых лазеров.
На рис.1. представлено положение уровня Ферми в собственном и примесном полупроводниках. Одно из важных свойств уровня Ферми заключается в том, что в системе, состоящей из полупроводников n- и p-типа и если к ним не приложено напряжение, уровни Ферми (Fn и Fp) у них выравниваются (рис. 1-1.а). А если они находятся под разными потенциалами (при приложении внешнего напряжения в прямом направлении), то уровни Ферми в них сдвигаются на величину разности потенциалов (рис. 1-1.б). В зоне p-n перехода создаётся инверсная населённость (за счёт инжекции неравновесных носителей тока) и электроны совершают переход из зоны проводимости в валентную зону (рекомбинируют с дырками). При этом испускаются фотоны с энергией hw.hw.энергией фотоны По такому принципу работает светодиод. Если для этих фотонов создать обратную связь в виде оптического резонатора, то в области p-n перехода при больших значениях внешнего приложенного напряжения можно получить лазерную генерацию.
Рис. 1-1. Энергетическая диаграмма инжекционного полупроводникового лазера: а) p-n переход без приложенного внешнего напряжения, б) p-n переход при приложении внешнего напряжения в прямом направлении; d – ширина p-n перехода, l – реальная ширина области, обеспечивающей работу лазера.
При этомбинируют с с дырками).д из зоны проводимости в зонуних сдвигаются на величину разности потенциалова, уровень Фетми один и тот же. ме, состоящей из нескоьлекторонов в валентной зоне) и малых значениях внешнего приложенного напряжения процесс образования и рекомбинации неравновесных носителей происходит хаотично и излучение обладает малой мощностью и является некогерентным и немонохроматическим. Это соответствует светодиодному режиму работы полупроводникового лазера. При увеличении тока выше некоторого порогового значения излучение становится когерентным, его спектральная ширина сильно сужается, а интенсивность резко возрастает – начинается лазерный режим работы полупроводникового лазера. При этом также увеличивается степень линейной поляризации генерируемого излучения.
На рис.1-2 схематично представлена конструкция полупроводникового лазера и распределение интенсивности выходного излучения. Как правило, в таком лазере резонатор создаётся полировкой двух диаметрально противоположных сторон кристалла, перпендикулярных плоскости p-n перехода. Эти плоскости делаются параллельными и полируются с высокой степенью точности. Выходную поверхность можно рассматривать как щель, через которое проходит излучение. А угловая расходимость излучения лазера определяется дифракцией излучения на этой щели. При толщине p-n перехода в 20 мкм и ширине – 120 мкм, угловая расходимость соответствует приблизительно 60 в плоскости XZ и 10 – в плоскости YZ.
Рис. 1-2. Принципиальная схема лазера на p-n-переходе. 1 - область p-n перехода (активный слой); 2 - сечение лазерного пучка в плоскости Х-Y.
В современных полупроводниковых лазерах широко используются так называемые полупроводниковые гетероструктуры, в разработку которых значительный вклад внес отечественный ученый Ж. И. Алферов (Нобелевская премия 2000 года). Гетероструктуры создаются комбинацией различных моно- и гетеропереходов. В отличие от моноперехода, использующего контакт одинаковых полупроводников, гетеропереход – это контакт двух различных по химическому составу полупроводников. Если полупроводники имеют одинаковый тип проводимости, то они образуют изотипный гетеропереход. Если тип их проводимости различен, то получается анизотипный гетеропереход. При этом на границе раздела полупроводников изменяется ширина запрещённой зоны, значение показателя преломления и подвижность носителей зарядов, что позволяет легче управлять параметрами полупроводникового лазера и самое главное – позволяет понизить порог генерации. На основе гетероструктур был создан первый инжекционный лазер, работающий при комнатной температуре. Пример двойной гетероструктуры приведен на рис. 1-3, а её энергетическая схема – на рис. 1-4.
Рис. 1-3. Полупроводниковая двойная гетероструктура.
1 - проводящий металлизированный слой для создания электрического контакта; 2-слой GaAs (n); 3 - слой Al0.3Ga0.7As (n); 4 - слой, соответствующий зоне инжекции носителей заряда (p-n-переход); 5 - слой Al0.3Ga0.7As (p); 6 - слой GaAs (p); 7 - непроводящий слой оксида металла для ограничения тока через p-n-переход, формирующий зону генерации излучения; 8, 9 - прилегающие слои для создания электрического контакта; 10 - подложка с теплоотводом.
Рис. 1-4. Энергетическая схема двойной гетероструктуры, ось Y и номера слоёв соответствуют рис. 1-3. ΔЕgc - ширина запрещённой зоны; ΔЕgv - ширина запрещённой зоны p-n-перехода.
В данной лабораторной работе исследуется зависимость интенсивности выходного излучения полупроводникового лазера на гетероструктуре, а также степень линейной поляризации от величины тока, протекающего через p-n переход.