|
| |
|
Слаботочка Книги Неприятными факторами, сопутствующими импульсному режиму генерации, являются возрастание плотности порогового тока и расширение спектра. Разновидности инжекционных лазеров. Рассмотренные теоретические положения предопределяют пути совершенствования простейшей структуры лазера (см. рис. 5.1,а). Обследованы и реализованы варианты расположения слоев по толщине кристалла (рис. 5.2). В гомогенном полупроводнике (рис. 5.2,а) р-п-переход как средство электронного ограничения весьма несовершенен: при высоких уровнях накачки происходит бесполезная инжекция электронов влево (из-за падения коэффициента иижекции), ограничение справа достигается лишь естественным убыванием концентрации введенных дырок по закону ехр (-x/L). Границы, определяющие «электронную» и «оптическую» толщины активной области W и Wonr, не определенны и меняются от режима накачки. Все эти несовершенства, проявляющиеся в конечном счете в высоком значении плотности порогового тока, предопределили бесперспективность лазеров на однородных полупроводниках. Широкое промышленное распространение получили только ге-теролазеры, общими особенностями которых являются односторонняя инжекция, четко выраженный полноводный эффект, возможность суперинжекции. В односторонней гетероструктуре (ОГС) электронное ограничение слева идеально, а справа такое же, как и в лазере на гомогенном полупроводнике (рис. 5.2,6); преимущество ОГС перед другими гетероструктурами состоит в простоте технологии. Поистине классической стала двойная (двусторонняя) гетероструктура (ДГС), в которой сверхтонкая активная область «зажата» между двумя гетерограницами (рис. 5.2,е): именно она позволяет получать малые пороговые плотности тока и значительные выходные мощности. Четырех- и пятислойная структуры (рис. 5.2,г,д), являющиеся усовершенствованной ДГС, позволяют при очень тонкой области накачки W иметь толщину волновода Woui, оптимальную с точки зрения модовых соотношений. В пятислой-ных GaAlAs-структурах удается получать пop~10 А/см и "вых~ - 0,1 Вт. Отметим, что технологические соображения требуют создания ряда переходных слоев, поэтому реальные лазерные структуры значительно сложнее, чем физические модели на рис. 5.2. Перейдем к рассмотрению основных конструкций активных излучающих структур лазерных диодов. Наиболее распространенной стала полосковая геометрия активной области. Она реализуется с помощью мезатехнологии (рис. 5.3,а), нередко также применяются различные планарные конструкции. Полосковая геометрия дает возможность получить малый объем генерации и, как следствие, малый пороговый ток, обеспечивает эффективные вол-новодно-резонаторные свойства, стабилизацию одномодового режима, подавление паразитных поперечных мод. Конструкция позволяет просто осуществить контактирование с активной об- 
  Рис. 5.2 Рис. 5.3 Рис. 5.2. Энергетические диаграммы активных структур инжекционных лазеров н распределения инжектированных носителей заряда (заштрихованные области): а - гомогенный полупроводник с р-л-переходом; б - односторонняя гетероструктура (ОГС); е -двойная гетероструктура (ДГС); г, 5 -четырех- н пятислойные структуры с различной толщиной областей электронного W н оптического MV. ограничений Рис. 5.3. Геометрические разновидности излучающих структур гетеролазеров: а - полосковая мезаструктура; б - гетеролазер с «зарощенной» активной областью; в, г - лазеры с распределенной обратной связью в активной области ластью, обеспечивает хороший теплоотвод, высокую долговечность и надежность. Стремление к дальнейшему снижению порогового тока привело к разработке «зарощенных» структур (рис. 5.3,6), в которых активное вещество имеет нитевидную форму (типичное поперечное сечение 1x1 мкм). Ограничение с боков может осуществляться гетерограницами, диэлектрическими пленками, ионно-импланти-рованными карманами. В зарощенных двойных гетероструктурах удается снизить пороговый ток до единиц миллиампер и обеспечить высокую степень когерентности излучения (Av/vo<: 10", длина когерентности - несколько метров). Иногда зарощенные структуры выращиваются на неплоской подложке и имеют серповидное сечение активной области. Для улучшения модового состава излучения в середине 1970-х гг. были предложены и получили широкое распространение разнообразные конструкции лазеров с распределенной обратной связью. В этих приборах путем гофрирования одного из выращиваемых эпитаксиальных слоев в волновод лазера «встраивается» дифракционная решетка (рис. 5.3,е), поддерживающая лишь одну резонансную продольную моду в полосе усиления. Эта частотная избирательность сужает спектр генерации до ДЯД ~ Ю"... 10" и менее, плотность порогового тока может быть ниже 10 А/см. В лазере с дифракционной решеткой нет необходимости в резонаторе Фабри - Перо, подобные структуры незаменимы в устройствах интегральной оптики, где такой резонатор нельзя применить. Расположение дифракционной решетки на открытой части активной зоны (рис. 5.3,г) по-новому решает проблему вывода излучения: внешний луч и луч внутри лазера могут образовывать между собой любой угол (вплоть до прямого). Тем самым можно преодолеть разрушение зеркал традиционного резонатора при высоких уровнях плотности оптической мощности. Дифракционная решетка создается путем химического вытравливания гофрированной структуры, обычно шаг гофра лежит в пределах от 0,15 до 0,45 мкм. Наиболее удобна для создания таких регулярных образований голографическая (двухлазерная) фотолитография. Дальнейшее развитие принцип избирательности мод получил в С-лазерах или лазерах со сколотосвязанными резонаторами. Фактически такой лазер представляет собой объединенные в одном устройстве два отдельных кристалла, расположенных соосно друг за другом с очень малым зазором между параллельными излучающими гранями. Из всего многообразия мод, генерируемых этими кристаллами, лишь очень немногие совпадают. Различие кристаллов (оно есть всегда) и их оптическая связь обеспечивают устойчивую генерацию одной продольной моды и уверенное подавление поперечных мод. * Сокращение от англ. Cleeved Coupled Cavity. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 [44] 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |