План Общая информация о полупроводниковых лазерах 3 Применения полупроводниковых лазеров 4 (стр. 2 из 4)

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 свет, 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.