Лазерный диод

Лазерный диод — лазер, функционирующий на основе полупроводникового диода. Его работа основана на возможности создания инверсии населённостей в обеднённой области p-n-перехода посредством инжекции носителей заряда в условиях прямого смещения перехода.

Лазерный диод

Принцип действия

Диодные лазеры различных длин волн

В условиях прямого смещения электроны из n-области инжектируются в p-область, а дырки из p-области в n-область полупроводникового диода. В результате направленных навстречу друг другу инжекционных потоков электрон и дырка могут оказаться «близки» (на расстоянии, когда возможно туннелирование) и, таким образом, рекомбинировать друг с другом в слое обеднения p-n-перехода. В прямозонном полупроводнике в результате такой электронно-дырочной рекомбинации излучается фотон с энергией, равной разности энергий электрона и дырки (ввиду выполнения закона сохранения энергии); длина волны излучения контролируется, таким образом, разностью энергий электрона и дырки. Такой процесс называется спонтанным излучением и лежит в основе работы светодиодов.

Если, однако, прежде чем произойдёт спонтанная рекомбинация, с электроном и дыркой будет взаимодействовать фотон с энергией, равной разности их энергий, то он может стимулировать их рекомбинацию с излучением второго фотона. При этом энергия второго фотона, его направление, вектор поляризации и фаза будут в точности совпадать с теми же характеристиками первого фотона. Такой процесс называется стимулированным (вынужденным) излучением и лежит в основе работы лазеров.

В лазерном диоде полупроводниковый кристалл изготавливают в виде очень тонкой прямоугольной пластинки. Такая пластинка по сути является оптическим волноводом, где излучение ограничено в относительно небольшом пространстве. Верхний слой кристалла легируется для создания n-области, а в нижнем слое создают p-область. В результате получается плоский p-n-переход большой площади. Две боковые стороны (торцы) кристалла полируются для образования гладких параллельных плоскостей, которые образуют оптический резонатор, называемый резонатором Фабри-Перо. Случайный фотон спонтанного излучения, испущенный перпендикулярно этим плоскостям, пройдёт через весь оптический волновод и несколько раз отразится от торцов, прежде чем выйдет наружу. Проходя вдоль резонатора, он будет вызывать вынужденную рекомбинацию, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами, и излучение будет усиливаться (механизм вынужденного излучения). Как только усиление превысит потери, начнётся лазерная генерация.

Лазерные диоды могут быть нескольких типов. У основной их части слои сделаны очень тонкими, и такая структура может генерировать излучение только в направлении, параллельном этим слоям. С другой стороны, если волновод сделать достаточно широким по сравнению с длиной волны, он сможет работать уже в нескольких поперечных модах. Такой диод называется многомодовым (англ. «multi-mode»). Применение таких лазеров возможно в тех случаях, когда от устройства требуется высокая мощность излучения и не ставится условие хорошей сходимости луча (то есть допускается его значительная расходимость). Такими областями применений являются печатающие устройства, химическая промышленность, накачка других лазеров. С другой стороны, если требуется хорошая фокусировка луча, ширина волновода должна изготавливаться сравнимой с длиной волны излучения. Здесь уже ширина луча будет определяться только пределами, накладываемыми дифракцией. Такие устройства применяются в оптических запоминающих устройствах, лазерных целеуказателях, а также в волоконной технике. Следует, однако, заметить, что такие лазеры не могут поддерживать несколько продольных мод, то есть не могут излучать на разных длинах волн одновременно.

Длина волны излучения лазерного диода с объёмной активной областью контролируется шириной запрещённой зоны материала этой области.

В связи с тем, что излучающий элемент достаточно тонок, луч на выходе диода, вследствие дифракции, практически сразу расходится. Для компенсации этого эффекта и получения тонкого луча необходимо применять собирающие линзы. Для многомодовых широких лазеров наиболее часто применяются цилиндрические линзы. Для одномодовых лазеров при использовании симметричных линз сечение луча будет эллиптическим, так как расхождение в вертикальной плоскости превышает расхождение в горизонтальной. Нагляднее всего это видно на примере луча лазерной указки.

В простейшем устройстве, которое было описано выше, невозможно выделить отдельную длину волны, исключая значение, характерное для оптического резонатора. Однако в устройствах с несколькими продольными модами и материалом, способным усиливать излучение в достаточно широком диапазоне частот, возможна работа на нескольких длинах волн. Во многих случаях, включая большинство лазеров с видимым излучением, они работают на единственной длине волны, которая, однако обладает сильной нестабильностью и зависит от множества факторов — изменения силы тока, внешней температуры и т. д. В последние годы описанная выше конструкция простейшего лазерного диода подвергалась многочисленным усовершенствованиям, чтобы устройства на их основе могли отвечать современным требованиям.

Виды лазерных диодов

Лазеры на гомопереходе

Описанная выше конструкция представляет собой лазерный диод на гомопереходе. Такие лазерные диоды крайне неэффективны. Они требуют столь высоких токов накачки (инжекции) для генерации лазерного излучения, что могут работать только в импульсном режиме для избежания перегрева. Несмотря на простоту конструкции и историческую значимость, на практике они не применяются.

Лазеры на двойной гетероструктуре

В этих устройствах активный слой материала с более узкой запрещённой зоной "упакован" между слоями материала с более широкой запрещённой зоной (cladding layers), из которых происходит инжекция неравновесных электронов и дырок. Каждое соединение двух различных полупроводников называется гетероструктурой и, таким образом, описываемое здесь устройство представляет собой лазер на двойной гетероструктуре (ДГС лазер). В англоязычной литературе используются названия «double heterostructure laser» или «DH laser». Описанная в предыдущем подразделе конструкция называется лазером на гомопереходе как раз для иллюстрации отличий от сменившего его ДГС лазера. Типичными материалами для реализации ДГС лазеров являются арсенид галлия (GaAs) и арсенид алюминия-галлия (AlGaAs).

Преимущество ДГС лазеров по сравнению с лазерами на гомопереходе состоит в том, что область сосуществования электронов и дырок (активная область) в значительной степени сводится к среднему (узкозонному) слою, что приводит к существенному увеличению доли электронно-дырочных пар, дающих вклад в стимулированное излучение. Кроме того, простейшая ДГС представляет собой трёхслойный плоский оптический волновод — излучаемый свет будет отражаться от самих гетероинтерфейсов, то есть интенсивность излучения будет максимальна в активном (центральном) слое.

Гетероструктурные лазеры с раздельным ограничением

Основная проблема гетероструктурных лазеров с недостаточно толстым активным слоем — низкий коэффициент оптического ограничения в этом слое. Чтобы преодолеть эту проблему, с каждой стороны активного слоя добавляют по одному толстому слою — слою оптического ограничения (optical confinement layer). Слои оптического ограничения имеют коэффициент преломления, который ниже, чем в центральном (активном) слое, но выше, чем в боковых слоях (cladding layers), из которых инжектируются неравновесные носители заряда. Такие структуры, представляющие собой в простейшем случае пятислойный плоский оптический волновод, более эффективно удерживает свет и называются гетероструктурами с раздельным ограничением («separate confinement heterostructures», SCH).

Большинство полупроводниковых лазеров, произведённых с 1990 года, изготовлено по этой технологии.

Лазеры на квантовых ямах

Если средний (активный) слой ДГС лазера сделать достаточно тонким, то он начнёт работать как квантовая яма. Это означает, что в вертикальном направлении (направлении роста структуры) энергии электронов и дырок будут квантоваться. Излучательные переходы между подзонами размерного квантования электронов и дырок в квантовой яме могут использоваться для генерации стимулированного излучения. Такой подход эффективен с точки зрения управления длиной волны излучения, которая будет, таким образом, зависеть не только от ширины запрещённой зоны материала квантовой ямы, но и от толщины ямы. Эффективность такого лазера будет выше по сравнению с лазером с объёмной активной областью благодаря тому, что плотности состояний электронов и дырок, участвующих в процессе излучения, постоянны в пределах подзон размерного квантования в яме.

Лазеры на квантовых точках

Такие лазеры используют один или несколько слоёв с квантовыми точками в качестве активной области для генерации стимулированного излучения. Вследствие квантово-размерного эффекта во всех трёх направлениях энергетический спектр носителей заряда в квантовых точках является дискретным, сходным с таковым в атомах. В инжекционных лазерах на основе полупроводниковых гетероструктур с квантовыми точками ожидаются улучшенные характеристики по сравнению с традиционными полупроводниковыми лазерами на квантовых ямах и, тем более, с объемной активной областью.

Лазеры с распределённой обратной связью

Основная статья: Лазер с распределённой обратной связью

Лазеры с распределённой обратной связью (РОС) чаще всего используются в системах многочастотной волоконно-оптической связи. Чтобы стабилизировать длину волны, в районе p-n-перехода создаётся поперечная насечка, образующая дифракционную решётку. Благодаря этой насечке, излучение только с одной длиной волны возвращается обратно в резонатор и участвует в дальнейшем усилении. РОС-лазеры имеют стабильную длину волны излучения, которая определяется на этапе производства шагом насечки, но может незначительно меняться под влиянием температуры. Такие лазеры — основа современных оптических телекоммуникационных систем.

VCSEL

VCSEL — «поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором» — полупроводниковый лазер, излучающий свет в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла, в отличие от обычных лазерных диодов, излучающих в плоскости, параллельной поверхности.

VECSEL

VECSEL — «поверхностно-излучающий лазер с вертикальным внешним резонатором». Аналогичен по своему устройству VCSEL, но имеющий внешний резонатор. Может исполняться как с токовой, так и с оптической накачкой.

Типы корпусов для лазерных диодов

Широкое распространение лазерных диодов привело к появлению большого разнообразия корпусов, специализированных для определённых применений. Официальных стандартов по данному вопросу не существует, однако иногда крупные производители заключают соглашения об унификации корпусов. Кроме того, существуют услуги по корпусированию излучателей по требованиям заказчика, поэтому перечислить всё разнообразие корпусов затруднительно (miniBUT, miniDIL и т. д.). Точно так же и распиновка контактов в знакомом корпусе может оказаться уникальной, поэтому назначение пинов перед покупкой у нового производителя всегда следует перепроверять. Также не следует ассоциировать внешний вид с длиной волны излучения, так как на практике излучатель с практически любой (в рамках ряда) длиной волны может быть установлен в любой из корпусов. Основные элементы лазерного модуля:

• излучатель
• термистор
• элемент Пельтье
• фотодиод
• коллимирующая линза
• оптический изолятор

Ниже перечислены корпуса, наиболее распространенные среди производителей.

С открытым излучением на выходе

TO-CAN

Корпусы данного типа предназначены для малого и среднего диапазона мощности излучения (до 250 мВт), так как не обладают специализированными теплоотводными поверхностями. Размеры варьируются от 3,8 до 10 мм. Число ножек — от 3 до 4, коммутированы они могут быть различным образом, приводя в 8 типам распиновок.

С волоконным выходом

DIL — Dual-In-Line

Лазерный диод в корпусе DIL и FC/APC-коннектором

Лазерный диод в корпусе DIL — вид снизу

Использование данного корпуса обосновано для мощностей более 10 мВт (для различных длин волн это значение заметно варьируется), когда площади поверхности полупроводника недостаточно для отведения тепла. Более эффективный отвод тепла достигается за счёт использования встроенного холодильника Пельтье, отводя тепло на противоположную по отношению к волоконному выходу грань алюминиевого корпуса. Пока температура корпуса при эксплуатации не изменяется, естественного воздушного охлаждения с поверхности достаточно. Для более мощных применений на основной теплоотводящей поверхности (противолежащей от волоконного выхода) устанавливают радиатор, для закрепления которого на корпусе предусмотрены ушки. Расположение ножек в 2 ряда с шагом 2,54 мм позволяет наряду с впаиванием использовать разъёмные электрические соединения — колодка для электронных компонентов в корпусах DIP и колодка нулевого усилия ZIF.

DBUT — Dual-Butterfly

Самый распространнёный корпус для лазерных диодов с мощностями от 10 мВт до 800 мВт и более. Основное отличие-преимущество перед DIL-корпусом — более эффективный теплоотвод за счет увеличенной площади контакта элемента Пельтье с корпусом лазерного модуля — основной теплоотводящей поверхностью является нижняя. Для этого электрические выводы были перенесены на боковые грани, что усложняет организацию разъёмного соединения лазерного модуля с платой управления.

SBUT — Single-Butterfly

Односторонний вариант полного BUTTERFLY корпуса. Из-за вдвое меньшего количества выводов, отсутствует возможность использовать внутренний фотодиод.

Применение лазерных диодов

Лазерные диоды — важные электронные компоненты. Они находят широкое применение как управляемые источники света в волоконно-оптических линиях связи. Также они используются в различном измерительном оборудовании, например лазерных дальномерах. Другое распространённое применение — считывание штрих-кодов. Лазеры с видимым излучением, обычно красные и иногда зелёные — в лазерных указках, компьютерных мышах. Инфракрасные и красные лазеры — в проигрывателях CD и DVD. Фиолетовые лазеры — в устройствах HD DVD и Blu-Ray. Синие лазеры — в проекторах нового поколения в качестве источника синего света и зелёного (получаемого за счёт флюоресценции специального состава под воздействием синего света). Исследуются возможности применения полупроводниковых лазеров в быстрых и недорогих устройствах для спектроскопии.

До момента разработки надёжных полупроводниковых лазеров в проигрывателях CD и считывателях штрих-кодов разработчики вынуждены были использовать небольшие гелий-неоновые лазеры.

Драйверы лазерных диодов

С электронной точки зрения лазерный диод — это обычный диод, вольт-амперная характеристика которого широко известна. Главной оптической характеристикой является зависимость выходной оптической мощности от тока, протекающего через p-n-переход. Таким образом, необходимая часть абсолютно любого драйвера излучающего диода — источник тока. Функциональность источника тока (диапазон, стабильность, модуляция и прочее) напрямую задаёт функцию оптической мощности. Помимо поддержания нужного уровня средней мощности в лазерах с активным охлаждением драйвер должен обеспечивать управление охладителем. Структурно управление током диода и охлаждением может быть как одним устройством, так и двумя отдельными устройствами. Важным свойством драйвера является также тип корпуса лазерного диода, который он поддерживает.

См. также

• Лазер
• Виды лазеров
• Устройство лазера
• Твердотельный лазер
• Полупроводниковый лазер
• Расчёт спектров лазерных диодов
• Коллиматор
• Суперлюминесцентный диод
• Лазерный модуль

Ссылки

• Алфёров Ж. И. Двойные гетероструктуры: концепция и применения в физике, электронике и технологии (Нобелевская лекция) (рус.) // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 2002. — Т. 172. — С. 1068—1086. — doi:10.3367/UFNr.0172.200209e.1068.
• М. Пилкун Инжекционные лазеры