2.4 Перестройка частоты лазеров

Частота генерации полупроводниковых лазеров легко перестраивается не только с помощью селективных элементов, вводимых в резонатор, но и путем всевозможных внешних воздействий на активную среду: гидростатического и одноосного давления, магнитного поля, изменения температуры и т.д. Смещение линии генерации происходит и при изменении концентрации легирующих примесей.

2.5 Диаграмма направленности

Часто в литературе подчеркивается острая направленность лазерного луча. При этом не учитывается, что малый угол расходимости не является неотъемлемым свойством лазерного излучения. При многомодовой генерации телесный угол, в котором распространяется излучение, может быть достаточно большим. Малым углом расходимости характеризуется, как правило, только одномодовый режим генерации или же совокупность аксиальных мод. К сожалению, такое ценное свойство отсутствует у инжекционных лазеров даже при одномодовой генерации. Это связано с малыми размерами активного слоя. У инжекционных лазеров основная причина большой расходимости генерируемого излучения – это его дифракция при выходе из активного слоя. Типичная расходимость составляет 1230^о. Неоднородности активного слоя приводят к дополнительному расширению луча, однако в целом они играют второстепенную роль по сравнению с дифракцией света.

При многомодовой генерации, естественно, луч становится широким и в этой плоскости. Индикатриса излучения состоит из многих лепестков. В плоскости, перпендикулярной к плоскости р-n-перехода, угол расходимости составляет более 10^о.

Инжекционные лазеры по своим размерам близки к точечным источникам излучения. Поэтому расходимость лазерного луча с помощью оптических систем можно уменьшить или сфокусировать луч на малую площадку.

2.6 Когерентность оптического излучения

Когерентность  важнейшее свойство оптического излучения с точки зрения применения оптического сигнала в качестве носителя информации. Именно когерентность определяет наиболее впечатляющие перспективы оптоэлектроники [2].

Когерентность характеризует согласованность между фазами колебаний в различных точках пространства в один и тот же момент времени (пространственная когерентность) или между фазами колебаний в одной и той же точке пространства в различные моменты времени (временна́я когерентность).

3 Типы полупроводниковых лазеров

Лазеры на полупроводниковых материалах можно получить, используя различные способы накачки, например, электронным пучком, оптическим излучением. Наиболее эффективны полупроводниковые лазеры с использованием инжекционной люминесценции.

3.1 Инжекционные лазерные диоды

Первые эффективные полупроводниковые лазеры были реализованы на базе полупроводникового материала арсенида галллия (GaAs). В настоящее время широко применяются и другие полупроводниковые материалы, например, InP, InAs, GaSb, ZnSe и пр.

Самым простым для изготовления гетеропереходным лазером является структура, представленная на рис. 1.7 [3].

Рис. 1.7. Лазерный диод с гетероструктурой

В устройствах этого типа аномально быстрая диффузия Zn в GaAs используется для формирования диффузного p-n-перехода, лежащего на 1  2 мкм ниже гетероперехода Ga_1-xAl_xAs  GaAs. Если концентрации примесей p- и n-типов примерно одинаковы на обеих сторонах p-n-перехода, то инжекционный ток будет существовать главным образом за счёт электронов, инжектируемых в слой p-типа, так как эффективная масса электронов почти в 7 раз меньше массы дырок в Ga_1-xAl_xAs. Таким образом, слой с инверсной населённостью (активный слой) в лазерах такого типа находится в материале GaAs p-типа.

Толщину активного слоя можно выбирать, контролируя время и температуру эпитаксиального роста. Однако, поскольку длина диффузии инжектируемых электронов составляет лишь 1 мкм, увеличение толщины слоя p-GaAs свыше этого значения приводит к уменьшению эффективности и более высокой пороговой плотности тока. Это обусловлено тем, что область инверсной населённости ограничена толщиной слоя менее 1 мкм, где в основном и происходит рекомбинация электронов.

Трёхслойная волноводная структура GaAlAs обычно выращивают на сильно легированной подложке n-типа и покрывают сильнолегированным слоем p-GaAs, чтобы облегчить формирование электрических контактов. В итоге получается пятислойная структура.

Активная область создается на стороне p-типа p-n-перехода. Толщина активного слоя на практике составляет 300 нм и менее, чтобы достичь больших значений инверсной населённости и плотности генерируемых фотонов.

Лазерные диоды с двойным гетеропереходом обеспечивают ограничение с двух сторон активной зоны. Вследствие такого ограничения, как фотонов генерируемых мод, так и инжектируемых носителей в области инверсной населённости, возможно усиление за счёт стимулированного излучения.

По сравнению с простыми p-n-переходами гетероструктуры, особенно двойные гетероструктуры (ДГС) (рис. 1.8), обладают рядом преимуществ.

Рис. 1.8. Зонная диаграмма двойной гетероструктуры

в режиме генерации

1. Высокая эффективность инжекции. В ДГС идёт преимущественная инжекция носителей заряда из широкозонной области эмиттера в узкозонную область базы.

Этот эффект для односторонней инжекции гораздо существеннее, чем действие повышенного легирования в гомопереходах. В гетеролазерах отпадает необходимость применять сильное легирование, которое сопровождается появлением в активной области большой концентрации дефектов.

Вследствие ограничения активной области потенциальными барьерами в гетеролазерах стало возможным явление суперинжекции, заключающееся в создании в активной области концентрации носителей более высокой, чем равновесная концентрация этих же носителей в эмиттере.

2. "Электронное ограничение"  ограничение неосновных носителей в активной зоне. Узкая зона является "потенциальной ямой" для инжектированных носителей. Потенциальные барьеры гетеропереходов препятствуют растеканию области рекомбинации за пределы активного слоя.

3. Улучшение омических контактов. Использование дополнительных гетеропереходов в пятислойных структурах, благодаря возможности легирования приэлектродных слоев выше 10¹⁸ см^-3, позволяет изготавливать низкоомные контактные слои.

4. Прозрачность широкозонных слоев для излучения активной области. Рекомбинационное излучение, зародившееся в узкозонном материале, не может возбудить межзонный переход в широкозонном материале, окружающем активную узкозонную область.

5. Оптическое ограничение и волноводный эффект для генерируемого излучения. Это создается бо;´льшим показателем преломления узкозонной активной области по сравнению с показателями преломления окружающих широкозонных слоев.