Полупроводниковый лазер - полупроводниковый двухэлектродный прибор с p-n-переходом (поэтому часто используется термин «лазерный диод»), в котором генерация когерентного излучения связана с инжекцией носителей заряда при протекании прямого тока через p-n-переход.

Общая схема полупроводникового лазера показана на рисунке 1.

 

В полупроводниковом инжекционном лазере (или лазерном диоде) активной средой является полупроводниковый слой толщиной порядка 1 мкм, помещенный в p-n-переход. Оптический резонатор образуют либо грани кристалла, либо периодические последовательности слоев — брэгговские резонаторы. Инверсия активной среды достигается инжекцией неравновесных носителей заряда с помощью p-n-перехода. Длина волны излучения определяется шириной запрещенной зоны полупроводникового материала активной области (в случае квантоворазмерной активной среды — положением уровней размерного квантования). Накачка активной среды в лазерном диоде обеспечивается внешним электрическим смещением р-n-перехода в прямом направлении. При этом через р-n-переход протекает значительный ток и достигается интенсивная инжекция возбужденных носителей заряда в активную среду полупроводникового лазера. В процессе рекомбинации инжектированных электронов и дырок излучаются кванты света (фотоны).

Выделяют несколько типов полупроводниковых лазеров: торцевые; вертикально излучающие; с распределенной обратной связью; каскадные. Последние составляют особый класс униполярных лазеров, в которых активными носителями заряда являются только электроны, а накачка активной среды (основной квантовой ямы) осуществляется с помощью каскада на основе полупроводниковой сверхрешетки.

Инжекционные лазеры имеют следующие достоинства: сверхминиатюрность (теоретическая минимальная длина резонатора близка к 10 мкм, а площадь его поперечного сечения — к 1 мкм2); высокий КПД преобразования энергии накачки в излучение, приближающийся у лучших образцов к теоретическому пределу (это обусловлено тем, что лишь при инжекционной накачке удается исключить нежелательные потери и вся энергия электрического тока переходит в энергию возбужденных электронов); удобство управления (низкие напряжения и токи возбуждения, совместимые с интегральными микросхемами); возможность изменения мощности излучения без применения внешних модуляторов; работа как в непрерывном, так и в импульсном режиме с обеспечением при этом очень высокой скорости переключения (в пикосекундном диапазоне). Инжекционным лазерам присущи и недостатки, к наиболее принципиальным из которых можно отнести: невысокую когерентность излучения (в сравнении, например, с газовыми лазерами); значительную ширину спектральной линии; большую угловую расходимость; асимметрию лазерного пучка.

 

Полупроводниковые лазеры находят сегодня целый ряд важных применений в различных областях. Впервые эти лазеры в больших масштабах использовались в качестве оптической считывающей головки в компакт-дисковых системах. Теперь эта область применения расширилась и включает в себя оптические диски, используемые как постоянные или одноразовые запоминающие устройства. Для этих применений используются GaAs-лазеры, однако предпринимаются большие усилия для разработки полупроводниковых лазеров видимого диапазона, поскольку более короткая длина волны позволяет считывать диски с более высокой поверхностной плотностью записи. В лазерах видимого диапазона в качестве активной среды применяется тройной сплав GalnP (или четверной сплав AlGalnP), а для р- и л-областей — GaAs. Выбором подходящего параметра состава можно согласовать решетки обоих сплавов с GaAs, и к настоящему времени достигнута надежная работа при комнатной температуре в красной области спектра (λ = 680 нм) на основе GalnP. Кроме того, эти лазеры широко применяются в волоконнооптической связи, причем опять же с GaAs, в то время как в будущем, наверное, для этой цели лучше подойдет лазер на четверном сплаве InGaAsP. Для применений в связи срок службы любого компонента должен составлять как минимум около 10⁵ ч (т. е. больше 10 лет). В настоящее время срок службы промышленных устройств составляет 10⁴ ч, а экспериментальных около 5^.10⁵ ч. В настоящее время полупроводниковые лазеры на GaAs широко применяются для накачки Nd:YAG-лазеров в конфигурации с продольной накачкой. Для получения более высоких мощностей стержень из Nd:YAG можно также накачивать в поперечной конфигурации линейкой диодных лазеров. Как уже отмечалось, выходная мощность полоскового диодного лазера ограничена оптическим разрушением грани до типичного значения около 50 мВт. С целью повышения мощности были разработаны линейки диодов с отдельными лазерными каналами, достаточно близко расположенными друг к другу, так что излучение всех этих каналов становится связанным, а фазы - синхронизованными. Таким путем была получена мощность около 2 Вт от линейки из 40 лазерных каналов.

Накачку полупроводниковых лазеров можно осуществить различными путями. Например, можно использовать внешний электронный пучок или пучок от другого лазера для поперечного возбуждения в объеме полупроводника. Однако до сих пор наиболее удобным методом возбуждения является использование полупроводника в виде диода, в котором возбуждение происходит за счет тока, протекающего в прямом направлении. В этом случае инверсия населенностей достигается в узкой (<1 мкм) полоске между р- и n- областями перехода. Можно выделить два основных типа полупроводниковых лазерных диодов, а именно лазер на гомопереходе и лазер на двойном гетеропереходе (ДГ). Лазер на гомопереходе представляет интерес главным образом благодаря той роли, которую он сыграл в историческом развитии лазеров (так были устроены первые диодные лазеры), однако, только после изобретения лазера на гетеропереходе (1969 г.) стала возможной работа полупроводниковых лазеров в непрерывном режиме при комнатной температуре, в результате чего открылся широкий спектр применений, в которых эти лазеры теперь используются.

Рассмотрим ДГ-лазер на GaAs (рис.1). В этом диоде реализованы два перехода между различными материалами [Al_0.3Ga_0.7As(p) - GaAs и GaAs - AI_0.3Ga_0.7As(n)]. Активная область представляет собой тонкий слой GaAs (0.1—0.3 мкм). В такой структуре диода пороговую плотность тока при комнатной температуре можно уменьшить примерно на два порядка (т. е. до ~ 10³ А/см²) по сравнению с устройством на гомопереходе. Таким образом, становится возможной работа в непрерывном режиме при комнатной температуре. Уменьшение пороговой плотности тока происходит благодаря совместному действию трех следующих факторов: 1) Показатель преломления GaAs (n₁ = 3.6) значительно больше показателя преломления Al_0.3Ga_0.7As (n₂ = 3.4), что приводит к образованию оптической волноводной структуры. Отсюда следует, что лазерный пучок будет теперь сосредоточен главным образом в слое GaAs, т. е. в области, в которой имеется усиление. 2) Ширина запрещенной зоны E_g1 в GaAs (~ 1.5 эВ) значительно меньше, чем ширина запрещенной зоны Е_g2 в Al_0.3Ga_0.7As (~1.8 эВ). Поэтому на обоих переходах образуются энергетические барьеры, которые эффективно удерживают инжектированные электроны и дырки в активном слое. Таким образом, для данной плотности тока концентрация электронов и дырок в активном слое возрастает, а значит, увеличивается и усиление. 3) Поскольку E_g2 значительно больше, чем E_g1, лазерный пучок с частотой ν = E_g1/h почти не поглощается в Al_0.3Ga_0.7As. Поэтому крылья поперечного профиля пучка, заходящие как в р-, так и в n- области, не испытывают там сильного поглощения.