Типы лазерных диодов

Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые материалы принадлежат в основном III-VI группам периодической таблицы. Лазеры на основе полупроводников имеют большой диапазон излучения, компактны, имеют низкий рабочий ток, малые эксплуатационные расходы, при этом высокоэффективны и применяются практически повсеместно, от науки до медицины. Это один из самых широких классов лазерных источников. В статье будут рассматриваться свойства и преимущества лазеров и лазерных диодов Thorlabs.

Лазерные диоды с резонатором Фабри-Перо

Самым распространенным подвидом полупроводниковых лазеров являются лазерные диоды с резонатором Фабри-Перо (FP). Лазеры с резонатором Фабри-Перо работают в многомодовом режиме, генерируя излучение с отличными оптическими характеристиками в ближнем и среднем ИК диапазонах. Варьируя ширину гребня можно получить источник с одной поперечной модой.  

Конфигурация резонатора Фабри-Перо содержит два взаимопараллельных отражающих зеркала, полупроводник выступает в качестве усилительной среды. На зеркала наносятся оптические покрытия, позволяющие оптимизировать выходную мощность, причем одно из них имеет низкий коэффициент отражения, другое - высоким коэффициентом отражения, чтобы снизить общие потери зеркала.

Резонатор Фабри-Перо изготовлен так, что расстояние между продольными модами определяется формулой Δv = c/2nL, где c - скорость света, L - длина чипа лазерного диода, а n - групповой показатель преломления полупроводникового волновода. Часто удобно выражать интервал мод в длинах волн (Δλ = λ²/2nL).

Например, возьмем типичные значения группового показателя преломления n = 3,5 и длины резонатора L = 1 мм. По формуле получим расстояние между продольными модами Δλ = 0,05 нм при 635 нм и Δλ = 0,3 нм при 1550 нм. На количество продольных мод и их мощность влияет компоненты соединения, используемого для формирования полупроводниковой усилительной среды (AlGaAs, InGaAsP, AlGaInP и др.), а также ток смещения и температура. У лазеров с резонаторами Фабри-Перо на основе GaAs можно регулировать ток смещения и температуру таким образом, чтобы мощность продольной моды излучения доходила до 5-10 дБ.

Можно сказать, выходная мощность и длина волны излучения настраиваются путем изменения температуры и/или тока. Это характерно для лазерных диодов ИК диапазона, в котором небольшие изменения температуры влияют на параметры выходного излучения. Почти все лазерные диоды поддаются температурной перестройке, либо перестройки мощности на основе тока. Увеличение входного тока увеличивает стимулированное излучение до заданного значения; однако при превышении этого значения спонтанное излучение начинает «конкурировать» с вынужденным, растет расходимость и снижается степень поляризации. Для высокой эффективности поляризации (50:1 или более) рекомендуется поддерживать входной ток в заданном диапазоне, установленном технической документацией.

В первых лазерных диодах с резонатором Фабри-Перо использовали один полупроводниковый материал для формирования p-n перехода (GaAs). Эти устройства впоследствии получили название «лазеры на гомопереходе». Первые полупроводниковые лазеры выходили из строя буквально через несколько минут, имели очень высокие параметры порогового тока, обладали низкой надежностью и КПД. Ввиду перегрева данный вид лазеров не отличался долговечностью, и не мог нормально функционировать, кроме как при температуре ниже комнатной. Для успешного функционирования при комнатной температуре нужно было снижать пороговый ток, Увеличение срока эксплуатации устройства потребовало создание лазеров на основе многослойных полупроводниковых структурах (они же лазеры на гетероструктуре), которые впоследствии вытеснили своих предшественников.

Рисунок 1. Микросхема чипа лазерного диода Фабри-Перо

На рис. 1 показан чип лазерного диода Фабри-Перо в корпусе (FPL2000C). Этот чип используется в конструкции резонаторов. Резонатор, оснащенный таким чипом, имеет спектральную полосу пропускания ~15 нм, мощность непрерывного излучения может достигать 30 мВт на длине волны 2000 нм.

Лазерные диоды на гетеросктруктуре

С введением гетероструктур лазеры могли работать непрерывно при комнатной температуре, отличались меньшим пороговым током и имели более высокий КПД. В результате лазеры на гетероструктурах вытеснили своих предшественников. Гетеролазеры вступили в массовое производство и нашли широкое применение в информатике и IT-технологиях. Еще больший результат показали лазеры на двойной гетероструктуре (см. рис.2).

Рисунок 2. Структура лазерного диода на двойной гетероструктуре

Лазерные диоды с двойной гетероструктурой состоят из тонкого активного слоя (толщиной 100-200 м), окруженного двумя более толстыми (1-2 мкм) слоями. В примере на рис. 2 активная область (GaAs) имеет толщину 0,15 мкм, обкладки - по 1 мкм (активный слой р Al_0.3Ga_0.7As и слой n Al_0.3Ga_0.7As). Многослойная конструкция на толстой подложке GaAs. Активный слой двойного гетеролазера на основе контакта двух полупроводников способен создавать потенциальные ямы.

Существенным недостатком лазерного диода на двойной гетероструктуре является строгое условие согласованности периодов решеток. Рассогласование решеток, превышающее 0,1%, может привести к межфазной деформации между активным слоем и слоем оболочки, вызывая безыизлучательную рекомбинацию «электронов» и «дырок». Это приводит к ограничению диапазона длин волн.

Лазерные диоды на квантовой яме

Лазерные диоды на квантовой яме - отдельный класс лазерных диодов с двойной гетероструктурой, в которых толщина активной области D приближается к длине волны де Бройля.

D = λ_{de Broglie} ≈ h/p

Лазеры на квантовых ямах имеют некоторые преимущества по сравнению с гетеролазерами. Например, благодаря изменению числа квантовых ям, возможно уменьшение порогового тока до его минимального значения. Имея большой КПД и маленькую мощность, они используются в волоконно-оптических линиях связи и оптических приборах.

Рисунок 3. Структура лазерного диода на квантовых ямах

На рис. 3 представлен лазер на квантовых ямах. Средний тонкий слой активной среды между слоями (AlGaAs) полупроводникового волновода представляет собой квантовые ямы. Она основана на полупроводниковых наноструктурах. Лазеры с квантовыми ямами имеют высокий КПД и маленькую мощность, широко используются в волоконно-оптических линиях связи и оптических приборах.

Рисунок 4. Энергетическая диаграмма лазера с множественными квантовыми ямами

Если в лазере присутствует более одного слоя, содержащего квантовые ямы, то его называют лазером с множественными квантовыми ямами. Значительно влияет на КПД лазерного диода с множественными квантовыми ямами ширина запрещенной зоны.

Лазерный диод с распределенной обратной связью (DFB – лазеры, РОС - лазеры)

В лазере с распределенной обратной связью (DFB) пропускающая дифракционная решетка установлена внутри самого лазерного диода (см. рис.5). Гофрированная периодическая структура, расположенная в непосредственной близости к активной среде, работает как отражатель Брэгга. Обратная связь, создаваемая периодической решеткой, является селективной, таким образом в лазере обеспечивается режим одномодовой генерации.

Рисунок 5. Структура лазерного диода с распределенной обратной связью

Лазерный диод с распределенной обратной связью показан на рис. 5. Активный слой InGaAsP, имеющий запрещенную зону λ = 1550 нм, окружен оболочкой из InGaAsP, имеющей несколько большую запрещённую зону (λ = 1300 нм). Один из слоев оболочки имеет переменную толщину периода Λ.

В слое оболочки показатель преломления n_eff меняется вдоль z-направления:

n_eff (z) = <n(x, z)>x

В скобках обозначено среднее значение координаты x. Поперечный профиль пучка по координате x имеет узкую ширину, почти полностью заключенную в пределы активной зоны. Можно наложить периодичность вдоль оси z на показатель преломления:

n_eff(z) = n₀ +n₁sin[(2πz/Λ) + φ]

где n₀ и n₁ - показатели преломления слоев оболочки и подложки, Λ - шаг изменения показателя преломления вдоль границы раздела, φ - фазовый коэффициент. Исходя из закона Брэгга, прямо и обратно распространяющиеся пучки от решетки или других периодических элементов связаны при условии:

λ = λ_B= 2<n_eff >Λ

где <n_eff> - средний показатель преломления вдоль оси Z. В рамках этой упрощенной модели наблюдается, что для заданного шага может существовать только одна длина волны Λ.

Thorlabs производит лазерные диоды с распределенной обратной связью, излучающих волны 1310 нм и 1550 нм.

Лазерные диоды с вертикальным резонатором и поверхностным излучением

Рисунок 6. Энергетическая диаграмма лазерного диода с вертикальным резонатором и поверхностным излучением

Вертикально-излучающие диоды - это уникальный класс лазерных диодов, где излучение происходит перпендикулярно плоскости активного слоя (перехода). Максимальное усиление обеспечивается в направлении, перпендикулярном гетеропереходу, а в плоскости перехода подавляется. Поскольку эффективный показатель усиления активной среды должен превышать 1000 см^–1, то в активной области используются двойные гетероструктуры, содержащие набор квантовых ям, квантовых нитей или квантовых точек. Применение квантовых нитей потенциально очень перспективно, так как может обеспечить большой коэффициент усиления в направлении их осей. Однако технология получения активных сред на основе квантовых нитей требуемого качества пока не отработана. Поэтому активная область лазеров с вертикальным резонатором, как правило, содержит или набор квантовых ям, или квантовые точки, которые часто группируют в вертикальносвязанные квантовые точки.

Поскольку излучение этих лазерных диодов перпендикулярно плоскости перехода, высокая плотность излучателей может быть получена на небольшой площади. Кроме того, эти устройства могут быть сконфигурированы для применения с очень высокой плотностью упаковки, так как излучатели могут быть очень близко расположены по сравнению с типичными лазерными диодами Фабри-Перо. Рис. 7а показывает структуру формирования активной области вертикально-излучающего диода.

Рисунок 7а. Активная область вертикально-излучающего диода

Рисунок 7б. Резонатор вертикально-излучающего диода

Рисунок 7в. Структура вертикально-излучающего диода

Квантовые ямы, содержащиеся внутри слоев оболочки, показаны на рис. 7б. Толщина лазерного резонатора составляет примерно одну длину волны. Вертикально-излучающие диоды, работающие в ближнем ИК (λ = 1-3 мкм) имеют модовое расстояние Δλ ≈ 100 - 300 нм. Такое расстояние между модами позволяет лазеру излучать одиночную продольную моду при различных входных токах.

©Thorlabs

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs на территории РФ