Глава 7. Генераторы оптического излучения

7.1 Некогерентные и когерентные источники излучения

Некогерентные излучатели представляют собой светодиоды на основе полупроводниковой структуры, излучающей свет при пропускании тока через р — n-переход в прямом направлении.

Различают два механизма возбуждения светодиода: инжекция носителей заряда и ударная ионизация.

В основе спонтанной генерации света лежат процессы инжекции неосновных носителей заряда в активную область р — n-структуры. В результате рекомбинации носителей заряда происходит исчезновение пары свободных противоположно заряженных носителей с одновременным выделением избыточной энергии порядка ширины запрещенной зоны в виде кванта света. Может происходить и процесс безизлучательной рекомбинации, при которой происходит рождение фононов.

Процесс инжекции наиболее эффективен в гетероструктурах, где имеются разрывы в валентной зоне и зоне проводимости, и при смещении гетероперехода в прямом направлении наблюдается эффективная инжекция носителей заряда. При этом инжекция проис­ходит из широкозонного материала в узкозонный. Вывод излучения осуществляется перпендикулярно плоскости гетероструктуры через верхний широкозонный слой. Максимальный квантовый выход или отношение числа вышедших фотонов к числу рожденных составляет ~ 40%. Быстродействие достигает ~ с.

В целях расширения спектрального диапазона излучения применяют тройные и четвер­ные соединения. Эти соединения характеризуются изовалентным замещением элементов III и V групп периодической системы элементов.

Переизлучение света, излучаемого в направлении к подложке (рис. 7.1) в специальном фотомоминисцентном слое позволяет в 2 -3 раза повысить КПД светодиода. При этом необходимо выполнение условия, чтобы ширина запрещенной зоны фотомоминисцентного слоя была бы меньше ширины запрещенной зоны активной области. Такие гетероструктуры называются фотоэлектролюминисцентными.

Рис. 7.1. Схематическое изображение изменения ширины запрещенной зоны гетероэпитаксиальных ФЭЛ – структур: 1 – область излучительной рекомбинации; 2 – область переизлучения

Длину волны излучения (цветность свечения) можно изменять путем подбора материалов для светодиодов или легируя эти материалы дополнительными примесями. Типичные спектры излучения светодиодов, изготовленных из различных комбинаций материалов представлены на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Типичные спектры излучения светодиодов

Светодиоды, излучающие в видимой области, работают в дисплеях, разнообразных контрольных устройствах (светофорах), часах. Располагая светодиоды (чипы) в матрицы, можно получить цифровое или знаковое отображение информации. Светодиоды, излучающие в ближней инфракрасной области, применяются для оптической связи, оптического дистанционного управления, как источники излучения в оптронных парах, медицине и биологии.

7.2. Когерентные излучатели

Когерентные излучатели получают на основе тех же р — n-переходов и создания условий для вынужденного излучения. Это можно достигнуть, создавая положительную обратную связь путем помещения инверсной активной среды в резонатор.

Рассмотренные ранее полупроводниковые лазеры, которые могут быть изготовлены на основе одного полупроводникового материала (гомолазеры), являются малоэффективны­ми. Гетеролазеры изготавливаются на основе гетеропереходов двух и более полупроводниковых материалов с отличными друг от друга энергиями запрещенных зон.

В гетеролазерах для оптоэлектроники используются, как правило, твердые растворы типа 1п - GaAsP в различном сочетании. Комбинации четверных и тройных соединений А³В⁵ позволяют получать когерентные излучатели в диапазоне длин волн 0,66 — 4 мкм.

Лазерные структуры выращиваются по эпитаксиальной технологии. Различают жидкофазную, газофазную и молекулярно-лучевую эпитаксию.

Инжекционные лазеры являются высокоскоростными приборами, у которых максималь­ная частота модуляции излучения может достигать значения Гц.

Для хорошего согласования излучения лазера с каналами передачи информации необходимо введение лазера в одномодовый режим работы. Одномодовые лазеры отличаются низким уровнем шумов и стабильностью.

В большинстве инжекционных лазеров в качестве резонатора Фабри — Перо используются сколотые грани лазерного кристалла, полупрозрачные зеркала. Это упрощает конструкцию, но затрудняет интеграцию источника когерентного излучения с другими элемен­тами. Однако в гетеролазерах используются также внешние оптические резонаторы, улучшающие согласование лазерного излучения с оптическими волноводами. В этом случае положительная обратная связь основана на распределенном отражении оптического пучка на периодической структуре (периодические оптические неоднородности). Для этого на поверхность кристалла наносится дифракционная решетка с периодом d, кратным целому числу полуволн излучения. Тогда возникает отраженная волна, удовлетворяющая условию Брэгга для дифракции волн на решетке

d = mλ₀/2n_эф (7.1)

где d – период, m – порядок брэгговского отражения, λ₀ – длина волны излучения, n_эф – эффективный показатель преломления волновой моды.

Такой брэгговский резонатор имеет только одну полосу резонансного усиления. В итоге получается лазер с высокой спектральной избирательностью ( нм).

Различают два типа излучателей с периодической модуляцией оптических характеристик.

В лазерах с распределенным брэгговским отражателем (РБО-лазеры) используются модулированные участки оптической среды, вынесенные из активной области (рис. 7.3, а). В лазерах с распределенной обратной связью (РОС-лазеры) модуляция среды осуществляется непосредственно в активной области (рис. 7.3, б).

Рис. 7.3. Лазеры с периодической структурой обратной связи: а— РОС- лазеры; б— РБО-лазеры; 1 — активный волновод; 2— область связи волноводов; 3 — пассивный волновод

Лазерные структуры с периодической модуляцией оптических характеристик различаются порядком (m) дифракции. Этот порядок определяется целым числом полуволн лазерного излучения, которые можно уложить на периоде неоднородности.

Конструктивно неоднородности выполняют в виде диэлектрика с гофрированной поверхностью. Изменение толщины волновода определяет периодичность неоднородности. Коэффициент связи С_о определяет степень связи активной генераторной и пассивной волноводной компонент.

Высокая эффективность РБО - лазеров достигается за счет малых потерь в областях брэгговского отражения и хорошей связи между внешними и внутренними волно­водами.

В РОС - лазерах качество связи в основном определяет эффективность ввода и вывода излучения в элементы оптической схемы.

Для увеличения мощности когерентного излучения лазеры объединяют в лазерные решетки.

На рис. 7.4 приведена схема сопряжения в решетку двух гетеролазеров с распределенным брэгговским отражением.

Рис. 7.4. Два полосковых гетеролазера с распределенным брэгговским отражением

Оптическое поле локализовано в составном волноводе, образованном слоями n- AlGaAs и p- GaAs, а неравновесные носители локализованы в слое p- GaAs. d – период решетки.

При использовании в устройствах оптоэлектроники когерентных источников излучения достигается наименьшая расходимость излучения, передается энергия излучения в задан­ную точку пространства с минимальными потерями, обеспечиваются более широкие функциональные возможности устройств фотоники и оптронных схем.