Меню

Источник тока для полупроводникового лазера

#422 Кратко о п/п лазерах 10

Семинар «E^3»

С 24 по 28 Остября 2011 года в Екатеринбурге пройдет второй технический семинар, проводимый компанией «НАГ». В этот раз календарь семинара выглядит так:

  • 24-25 Октября — Ericsson Smartedge (BRAS (PPA), IPv6, Carrier Grade NAT);
  • 26 Октября — Ekinops (DWDM решения);
  • 27-28 Октября — Extreme Netwrorks (Ethernet Switching, коммутаторы Extreme Summit).

Семинар не является маркетинговым мероприятием и предназначен, в первую очередь, для технических специалистов. Для проведения семинара приглашены представители вендоров. Уже традиционно, на семинаре будет присутствовать реальное оборудование и созданы все условия для «погружения» в него.
Заявки прошу направлять по адресу dmitry@nag.ru.

Введение

Мог ли кто-нибудь десяток лет назад предположить, что оптоволоконные кабели станут дешевле «медных»? Да еще в два-три раза? А между тем это объективная реальность сегодняшнего дня. Так или иначе, но сети постепенно «перебираются» на стекло. Операторы уже потенциально близки к полному отказу от электрической разводки, оптика до квартиры рано или поздно станет неизбежной реальностью. Совсем не потому, что придет PON. При сохранении текущего тренда витая пара подорожает раза в два, волокно и трансиверы подешевеют похожим образом, и. неожиданно окажется проще работать со «стеклом», тем более, у него кроме известных недостатков есть еще и целый ряд не менее важных преимуществ.

Но кроме самих кабелей для оптоволокна нужны трансиверы, собственно, о них и речь. Вряд ли кто-то всерьез задумывается над их внутренним устройством и принципом работы. Удастся правильно назвать, и то хорошо. Только список займет почти строчку: GBIC, SFP (mini GBIC), XENPAK, X2, XFP, SFP+, CSFP, QSFP. И это не считая зверинца допотопных времен, когда каждый производитель ставил свое, оригинальное, и непременно самое лучшее. Так что трансиверам реально повезло со стандартизацией, поэтому список короткий, а совместимость «друг с другом» почти полная.

Об этих сборках, их качестве, а также особенностях самих оптических модулей SFP/XFP и т.д. писал в прошлых обзорах. Здесь, здесь и здесь. Остался последний уровень, который ближе к гетеропереходу пары полупроводников, и прочим изобретениям науки, которые в России больше известны в связи с работой Нобелевского лауреата товарища Алферова. Конечно, упрощенно, без теории квантовых точек, сложностей создания глубокого вакуума, а также разных способов эпитаксии. Понимаю, что это занудно и скучно, а также бесконечно далеко от привычного любому монтажнику «всовывания пальцев» в коммутаторы на чердаках. Но без данной части картина будет неполной.

Передатчики

Собственно, что где-то в SFP находится «лазер» знают все. Но, даже разобрав модуль «до резисторов», найти его не слишком просто. Поэтому возьмем самый простой и дешевый SFP модуль SNR-SFP-LX, вскроем его, выкусим оптические сборки TOSA (передатчик) и ROSA (приемник) и разломаем на кусочки подручными макроинструментами (молотком и плоскогубцами).

«Тот самый лазер» по размерам много меньше спичечной головки. Даже увеличение фотоаппарата не дает качественного изображения. Но не покупать же, в самом деле, ради этой статьи микроскоп.

При всем разнообразии типов, все полупроводниковые лазеры можно грубо разделить на две группы: с прямой (внутренней) и внешней модуляцией. Причем последние в практике встречаются достаточно редко, но об этом ниже. В цифровых системах связи (к которым «по случайности» относится Ethernet) на основе передатчиков с прямой модуляцией используется простейший оптический формат передачи данных, при котором логическому нулю соответствует выключенное состояние лазера, а логической единице – включенное.

Существуют три основных типа, использующих прямую модуляцию: лазеры Фабри-Перо (Fabry-Perot, FP), вертикально-излучающие лазеры (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, VCSEL) и лазеры с распределенной обратной связью (Distributed Feedback, DFB).

Французские физики Фабри и Перро давно умерли от старости, а свой одноименный интерферометр предложили еще в 1899 году. Применение их принципа в качестве резонатора для лазеров началось с 1958 года, и патентными троллями использовано быть не может. Так что FP-лазеры самые простые по технологии, дешевые, и на их базе сделаны все имеющиеся на рынке одномодовые модули с дальностью до 20 километров.

Если все же взять микроскоп с большим увеличением, то видно FP-чип, в котором происходит образование лазерного излучения:

Если говорить о конструкции, то в диапазоне 1310 нм FP-лазеры изготавливают на подложке из фосфида индия (InP) с активными слоями из InGaAsP. Резонатор в таком лазере образуется торцевыми поверхностями, окружающими с обеих сторон гетерогенный переход. Одна из поверхностей отражает свет с коэффициентом отражения, близким к 100%, другая является полупрозрачной, обеспечивая, таким образом, выход излучения наружу.


Структура FP-лазера

Ширина спектра FP-лазеров составляет около 3 нм. Несмотря на приставку нано-, реально это очень широкий диапазон. Поэтому FP-лазеры нельзя использовать на большие расстояния (обычно до 20-30 км на несущей 1310 нм), так как хроматическая дисперсия будет ограничивать дальность распространения. Из приведенной ниже диаграммы видно, что хроматическая дисперсия в популярном стандарте оптического волокна (G.652) растет пропорционально длине волны. Это основная причина, по которой на несущей 1550 нм ранее не делали FP-лазеры.

Ситуация кардинально поменялась после массового распространения одноволоконных систем, в которых используется пара 1310/1550. В 20-ти километровых моделях все очевидно, там применяют «дешевый» FP-лазер на 1310 и «дорогой» на DFB-лазер на 1550 (подробно описан ниже). Но уже для 3-х километровых линий хроматическая дисперсия не является ограничивающим фактором, и. в ход идут «нетрадиционные», но заметно более дешевые FP-лазеры на 1550 нм.

Отдельный вопрос, что используют китайские фабриканты в популярных 10-ти километровых bidi SFP. Особого экономического смысла изготавливать такие элементы нет вообще, не зря 3-х километровые bidi SFP на 1310 стоят ровно столько же, сколько 20-ти километровые. Причем производство лазеров (именно полупроводниковых элементов) мало отличается по своей сути от микросхем. Это огромная, чрезвычайно высокопроизводительная фабрика, которая обеспечивает множество изготовителей BOSA. Поэтому возможны два варианта: отбраковка 20-ти километровок DFB (это грозит ускоренной деградацией) или установка 3-х километровых FP, что, естественно, далеко не гарантирует работу на все 10 километров.

На сегодняшний день применение FP чипов для 1,25 G модулей выглядит следующим образом:

Data Rate Wavelength Source Distance, km

1.25G;MM 1310nm FP 0.55
1.25G;SM 1310nm FP 3
1.25G;SM 1550nm FP 3
1.25G;SM 1490nm DFB 20
1.25G;SM 1310nm FP 20
1.25G;SM 1550nm DFB 20

Для длины волны 1550 нм на расстояниях более 3 км и скорости передачи данных 1,25 G применяют уже DFB-лазеры, которые получены путем добавления решетки Брэгга в структуру полупроводника.


Структура DFB-лазера

Это позволило уменьшить ширину спектра до 0,1 нм (и вплоть до 0.0001 нм для специальных лазеров) и не слишком задумываться о хроматической дисперсии на расстояниях до 200 километров.

Кроме того, у DFB есть дополнительные преимущества, а именно уменьшение зависимости длины волны лазера от тока инжекции и температуры, высокая стабильность одномодовости и практически 100-процентная глубина модуляции. Температурный коэффициент Δλ/ΔТ для FP-лазера порядка 0,5-1 нм/°С, в то время как для DFB-лазера порядка 0,07-0,09 нм/°С.

Как пример трансивера на базе DFB лазера возьмем WDM-SFP с длиной волны 1550 нм и дальностью передачи до 20 км — SNR-SFP-W53-20. Так как модуль является bidi (bidirectional), то вместо TOSA+ROSA мы видим одну оптическую сборку под названием BOSA.

Приемная часть (слева), передающая (справа):

Вскрываем передающую часть и пытаемся найти DFB чип:

Без микроскопа снова тяжело детально рассмотреть этот миниатюрный полупроводник. Если взять цифровой микроскоп с большим увеличением, то можно видеть следующую картину:

К сожалению, понять по фотографиям устройство TOSA почти невозможно. Поэтому придется привести соответствующую схему. Тут LD — собственно сам лазерный диод, TEC — Thermoelectric Cooler, термоэлектрическая подложка для эффективного охлаждения. PD — фотодиод для мониторинга выходного излучения, должен быть обязательно, если поддерживается DDMI. Thermistor — термистор, для получения значения температуры. Подробнее эту тему можно изучить тут.

Основным недостатком DFB-лазеров является сложная технология изготовления и, как следствие, более высокая цена. Поэтому и используется на расстояниях от 40 до 160 километров.

Считается, что самый дешевый лазер — VCSEL. В отличие от торцевых (edge-emitter, EE) лазеров FP и DFB, он имеет резонатор, расположенный перпендикулярно плоскости подложки, что значительно облегчает тестирование в процессе производства. В результате стоимость их сборки снижается. Но судя по всему, количество «годных» полупроводниковых элементов в массовом производстве сегодня таково, что это преимущество не имеет большого значения.


Отличительная особенность работы VCSEL-лазеров по сравнению с торцевыми

VCSEL имеет большую температурную стабильность, потребляет значительно меньшее количество энергии.


Структура VCSEL-лазера

Сфера применения — локальные вычислительные сети, построенные на основе многомодового (MM) оптического волокна. В настоящее время можно наблюдать процесс постепенного вытеснения подобных сетей из практики. Стоимость VCSEL-based трансиверов MM 850nm с дальностью работы до 300-500 метров практически не отличается от аналогичных, но существенно более дальнобойных и универсальных FP-лазеров, работающих по одномодовому (SM) волокну. Более того, в связи с широким распространением одноволоконных bidi систем, итоговая стоимость проекта на FP- или DFB- может оказаться меньше, чем VCSEL.

Примером трансивера на базе VCSEL лазера является модуль SNR-SFP-SX.

Вскроем его, и выпаяем TOSA и ROSA:

Разберем TOSA, чтобы увидеть VCSEL:

Под микроскопом полупроводник выглядит так:


VCSEL-чип

Наука до сих пор не смогла разработать VCSEL, который бы имел в диапазоне 1550 нм достаточную для замены FP-лазера ширину спектра и выходную мощность. Возможно, это будет разработка будущего, которая резко снизит стоимость трансиверов. В противном случае данную ветвь технологии ждет медленное угасание.

Ниже приведена сравнительная таблица лазеров с внутренней модуляцией, которые применяются в цифровых системах связи на сегодняшний день.

Источник

4.3 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ДИОДЫ (ЛД)

Полупроводниковый лазерный диод – это излучающий полу-проводниковый прибор с двойным гетеропереходом, преобразующий электрическую энергию в энергию индуцированного, поляризованного светового излучения с высокой степенью когерентности.
Полупроводниковый лазер – одно из лучших прикладных достижений физики конца ХХ века. В этом приборе удалось достичь удобного и эффективного прямого преобразования электрической энергии в энергию когерентного светового излучения. Впервые использовать полупроводниковые материалы для создания лазеров предложили в 1961 г. советские учёные Н.Г.Басов, Ю.М.Попов и О.Н.Крохин. В 1964г. за фундаментальные исследования, приведшие к созданию полупроводниковых квантовых генераторов, группе советских учённых была присуждена Государственная премия.
Полупроводниковые лазеры, изготовленные на основе двойного гетероперехода, были впервые предложены в СССР Жоресом Ивановичем Алфёровым. Основное различие между СИД и ЛД состоит в том, что излучение в СИД спонтанное и некогерентное, а в ЛД индуцированное и когерентное. Чтобы лазерный диод стал генерировать когерентное оптическое излучение необходимо произвести инверсию населённостей уровней и поместить его в резонатор, обеспечивающий необходимую положительную оптическую обратную связь.

Читайте также:  Каково основное назначение коллектора в машине постоянного тока ответ крепление обмотки якоря

4.З.1 Инверсия населённостей

Фотон с энергией Е2 – Е1 может с равной вероятностью инициировать как переход Е1 → Е2 , так и переход Е2 → Е1 . Всё дело в том, на каком энергетическом уровне находится взаимодействующий с фотоном активный центр. Если на нижнем рабочем уровне (Е1) находится больше активных центров, чем на верхнем уровне (Е2), то будут преобладать процессы поглощения света. Если же, наоборот, на уровне Е1 находится меньше активных центров, чем на уровне Е2, то будут преобладать процессы вынужденного испускания света.
Нам важно, чтобы преобладали процессы вынужденного испускания света. Следовательно, необходимо, чтобы населённость верхнего рабочего уровня n2 оказалась выше населённости нижнего уровня n2, т.е. чтобы выполнялось условие

называемое условием инверсии (обращения) населённостей рабочих уровней.
Активную среду, для активных центров которой выполняется условие инверсии, называют инвертированной активной средой.
Инверсию населённостей, в данном случае, производят током накачки IН.

4.3.2 Принцип действия ЛД

Для создания оптического генератора необходимо, как и для обычного генератора радиодиапазона, ввести положительную обратную связь и выполнить амплитудные и фазовые условия.
Простое повышение тока накачки до уровня создания инверсии населённостей ещё не обеспечит генерацию. В этом случае для появления индуцированного излучения необходимо в область обеднённого слоя ввести внешний сигнал – поток фотонов с заданной энергией, который индуцирует начало процесса формирования монохроматической волны. Таким потоком фотонов может быть поток спонтанных фотонов.
Поскольку энергия фотонов вынужденного излучения равна энергии первоначальных спонтанных фотонов, то их длины волн также равны. Таким образом, спонтанные фотоны рождают подобные себе вынужденные фотоны: они имеют те же длины волн, фазы и направление распространения, что и спонтанные фотоны. Другими словами, падающий спонтанный фотон приводит к излучению ещё одного такого же фотона. При многократном повторении этого процесса число фотонов растёт лавинообразно, и излучение усиливается. Такое устройство при наличии инверсии населённостей будет выполнять функции оптического генератора.
Положительная обратная связь. Упрощённая физическая модель лазера приведена на рисунке 4.10.

Рисунок 4.10 – Упрощённая физическая модель лазера

Активная область (АО), т.е. область, в которой реализуется инверсия населённостей, заключена между двумя зеркалами 3, которые отражают часть потока фотонов и возвращают её в активную область. Этим обеспечивается положительная обратная связь по оптической мощности. Зеркала 3 представляют собой оптический открытый резонатор Фабри-Перо. Одно из зеркал должно быть полупрозрачным.
Резонатор имеет характеристические резонансные частоты, генерируемые двухуровневой системой. Устанавливается равновесная плотность оптической мощности на каждой резонансной частоте, соответствующая равенству потерь и усиления на проход. В понятие потерь включена и та часть оптической мощности, которая проходит сквозь полупрозрачное зеркало и образует выходной лазерный пучок. Самовозбуждение не может начаться, пока усиление не превысит потери, которые возникают вследствие поглощения света в среде, находящейся внутри резонатора, или рассеяния части излучения через боковую поверхность.
Амплитудное условие. Достаточно сильный ток накачки IН создаёт инверсную населённость уровней. Инверсная населенность представляет собой состояние, когда на верхнем уровне населённость электронов больше, чем на нижнем. При наличии инверсной населённости более вероятен процесс стимулированного излучения другого фотона. Для работы лазера требуется, чтобы усиление превысило потери, что достигается при превышении током накачки IН некоторого порогового значения IП (IН > IП).
Источник тока накачки IН создаёт необходимую концентрацию носителей в обеднённом слое – почти все нижние уровни зоны проводимости заселяются электронами, а почти все верхние уровни валентной зоны свободны (заполнены дырками). Вероятность излучательной рекомбинации велика, что обеспечивает выполнение условия превышения усиления над потерями.
Фазовое условие. Из всего потока рождающихся фотонов с разными энергиями (с разными длинами волн) резонатор Фабри-Перо выбирает только те, которые удовлетворяют условию резонанса – вдоль длины резонатора должно укладываться целое число полуволн λk:

где L – длина пути, по которому распространяется излучение;
k – целое число.
Такие фотоны эффективно отражаются зеркалами резонатора, что создаёт положительную обратную связь. Этим обеспечивается выполнение фазового условия генерации. Поэтому излучение возникает на длинах волн, для которых выполнено условие резонанса. В данном случае излучение представляет собой несколько «почти» монохроматических волн, каждой из которых сопоставляется продольная мода резонатора с соответствующим индексом k. Роль резонатора. Спонтанные фотоны, случайно родившиеся в направлении оси ОО или достаточно близко к нему, будут проходить внутри активной области относительно большой путь, который, к тому же, существенно увеличивается из-за многократных отражений излучения от зеркал резонатора. Взаимодействуя с возбуждёнными активными центрами, эти фотоны инициируют, в конечном счёте, мощную лавину вынужденно испущенных фотонов, которая и образует световой луч. Что же касается тех спонтанных фотонов, которые случайно родились в иных направлениях, то они (и соответствующие лавины вторичных фотонов) пройдут в активном элементе относительно короткий путь и быстро выйдут за пределы активной области.
Таким образом, оптический резонатор выполняет принципиально важную роль. Бурно развивающиеся в инвертированной активной среде процессы вынужденного испускания (инициированные спонтанно родившимися фотонами) резонатор как бы упорядочивает, направляет в нужном направлении и в итоге формирует лазерное излучение с высокими когерентными свойствами. В ЛД зеркалами резонатора служат грани полупроводникового кристалла, сколотые вдоль естественных кристаллических плоскостей и перпендикулярные плоскости p-n-перехода. Из-за разности показателей преломления на границе «кристалл–воздух» получается достаточно высокий коэффициент отражения (примерно 30%).
Поскольку свет направляют в оптическое волокно через одну из поверхностей ЛД, называемую фронтальной, то его задняя поверхность покрывается отражающим материалом для уменьшения потерь света.

4.3.3 Устройство ЛД

Наиболее распространены на сегодняшний день ЛД с двойной гетероструктурой (ДГС), которая образована переходами типа N-p-P и P-n-N. При их изготовлении требуется тщательная отработка технологического цикла, поскольку в области переходов происходит контакт двух различных материалов, отличающихся, хотя и незначительно, строением кристал-лической решётки. От качества выращивания такой структуры в целом зависят все эксплуатационные характеристики излучателя.
За счёт применения ДГС появляется возможность:

  • увеличения эффективности инжекции;
  • увеличения внутренней квантовой эффективности;
  • уменьшения потерь излучения на поглощение в материале ЛД.

На рисунке 4.11 показана упрощённая схема ЛД на основе ДГС типа N-p-P. Она представляет собой поперечный разрез анализируемого элемента. Как правило, в современных ЛД используется осевое излучение, при котором формируемый поток фотонов распространяется вдоль узкозонного слоя d.

Рисунок 4.11 – Структура поперечного сечения полоскового лазера типа N-p-P

Активная область представляет собой материал с более высоким значением диэлектрической проницаемости. На её границах формируемая волна может испытывать полное внутреннее отражение. Тогда активная область может быть представлена в виде отрезка диэлектрического волновода. Торцы области, выполняющие роль полупрозрачных зеркал, «превращают» активную область с волновой точки зрения в диэлектрический резонатор.
Для ВОЛС используются лазеры только полосковой геометрии. В них активная область лазера создаётся в форме полоски, заключённой внутри значительно более широкой пассивной части кристалла. Они обладают рядом важных преимуществ по сравнению с другими вариантами приборов:

  • излучение выходит через площадку малой площади, что упрощает согласование лазера со световодом;
  • лучше теплоотвод, так как активная область, в которой выделяется тепло, находится внутри более холодного неактивного полупроводника;
  • уменьшается рабочий ток лазера.

4.3.4 Характеристики ЛД

К числу основных характеристик полупроводникового лазера, определяющих возможность использования его в системах связи и передачи информации относятся:

  • мощность излучения;
  • диаграмма направленности излучения;
  • длина волны излучения моды;
  • спектральная ширина;
  • поляризация излучения;
  • быстродействие;
  • срок службы.

Мощность излучения. Зависимость мощности излучения от тока накачки (ватт-амперная характеристика) при различных значениях температуры показана на рисунке 4.12.

Рисунок 4.12 – Ватт-амперные характеристики полупроводникового ЛД

При малых токах накачки (IН IП) наступает лазерный эффект, генерируемая оптическая мощность резко возрастает, излучение становится вынужденным. Как видно, ватт-амперная характеристика существенно нелинейна. По этой причине модуляция выходного напряжения путём изменения аналоговым сигналом тока инжекции лазера без применения специальных мер линеаризации ватт-амперной характеристики практически не используется.
Обычно применяют импульсные методы модуляции тока инжекции и, соответственно, выходной оптической мощности лазера.
Отметим ещё одну существенную особенность, присущую лазерному диоду: при изменении температуры окружающей среды происходит сдвиг ватт-амперных характеристик. Это приводит к изменению величин порогового тока и выходной мощности. Для устранения этого недостатка применяются электрические схемы компенсации, а также схемы термокомпенсации, управляющие работой микрохолодильника.
Для систем оптической связи используются лазеры, у которых с одного торца резонатора излучается 5-20мВт при ширине полоскового контакта 10­20мкм. Такое значение мощности является разумным компромиссом между величиной тока накачки, требуемыми мощностью излучения и сроком службы излучателя. Если увеличить ширину полоскового контакта до 100мкм, то излучение с одного торца может достигнуть 100мВт.
Диаграмма направленности. Типичная диаграмма направленности оптического излучения ЛД показана на рисунке 4.13,а.

а–диаграмма направленности; б–конус излучения; в–зависимость излучаемой мощности от угла во взаимно перпендикулярных направлениях
Рисунок 4.13 – Диаграмма направленности и характер оптического излучения ЛД

Как видно, диаграмма излучения лазера несимметрична (рисунок 4.13,б). Её ширина, измеряемая на уровне половинной мощности, менее 20 o в плоскости, параллельной переходу, и более 40 o в перпендикулярной плоскости. На рисунке 4.13,в показана зависимость излучаемой мощности от угла во взаимно перпендикулярных направлениях.
Диаграмма направленности имеет форму эллиптического конуса. Достаточно большая угловая расходимость генерируемого излучения препятствует эффективному её вводу в волокно с малой числовой апертурой, требуя применения специальных согласующих устройств.
Длина волны излучения. Длиной волны излучения ЛД считается длина волны λ, на которой выходная мощность максимальна.
Спектральная ширина (ширина спектра излучения) Δλ – интервал длин волн, в котором спектральная мощность составляет половину максимальной. Реально полоса пропускания резонатора конечна и спектр излучения ЛД составлен из относительно узких линий. На рисунке 4.14 показана зависимость спектральной мощности Р(Δλ) от длины волны для разных ЛД.

Рисунок 4.14 – Спектральная характеристика многомодового (а) и одномодового (б) ЛД

Источник

Как создавались полупроводниковые лазеры. Часть II

(Начало здесь.)
К 1962 году стало понятно, что p-n переход может быть использован как лазер. Но при этом он потреблял огромный ток, и поэтому мог работать только в жидком азоте – иначе быстро наступал перегрев. Сегодня мы узнаем, как лазеры научились работать при комнатной температуре и как далеко они ушли от своих прародителей.

От p-n перехода к гетероструктурам

Одной из проблем первых лазеров (как и всей полупроводниковой техники 50-х – начала 60-х годов) было то, что электрические заряды не удавалось локализовать в одной области. Из-за этого они «расплывались» по всей структуре.

Зонная структура первого лазера посередине p-n перехода. Электроны проскакивают рабочую область и утекают вправо. Дырки, соответственно, влево.

«Расплывшиеся» электроны и дырки не просто терялись впустую, но вдобавок еще нагревали структуру. Само собой, это вело к увеличению рабочего тока и перегреву прибора, а еще уменьшало его быстродействие. На это обращает внимание Герберт Крёмер, предлагающий каким-либо образом «изогнуть» зонную структуру, чтобы распространение носителей ограничивалось каким-нибудь барьером:

Читайте также:  Кроссворды по физике по теме электрический ток

После нескольких безуспешных попыток появилось простое решение: использовать границу двух полупроводников с разной шириной запрещенной зоны. В этом случае более широкозонный полупроводник будет выступать барьером как для электронов, так и для дырок:


Синие стрелки – широкозонный полупроводник; красная стрелка – узкозонный.

Позже выяснилось, что эта идея уже была предложена Уильямом Шокли в 1948 году. Он называл ее «широкозонный эмиттер», Крёмер же предложил название «гетеропереход» или «гетероструктура», так как барьер образовывался ничем иным, как границей двух разных материалов.

Итак, с появлением гетероперехода носители больше не утекают «вдаль». Но они все еще могут возвращаться обратно, что тоже не несет пользы. А что, если ограничить и движение обратно, добавив второй гетеропереход с другой стороны? Эта идея практически одновременно приходит в голову как Крёмеру, так и Жоресу Алфёрову с Рудольфом Казариновым из ФТИ имени Иоффе. Применение двойной гетероструктуры (ДГС) сулило снижение рабочего тока на пару порядков по сравнению с обычным p-n переходом.

Лазерный диод на двойной гетероструктуре. Электроны и дырки ограничены в пространстве и никуда не растекаются.

Зонные структуры – это прекрасно, но хочется понять, чему они соответствуют в реальном лазере. В принципе, для понимания нужно помнить только одну вещь: любой лазер состоит из нескольких слоев, и на зонной структуре эти слои рисуются справа налево. Скажем, вышеупомянутая двойная гетероструктура:

состоит из трех слоев: сначала (слева) идет слой n-полупроводника (из него приходят электроны), затем – активная область из материала с меньшей шириной запрещенной зоны (в нем электроны и дырки локализуются), и потом – слой p-полупроводника. То есть это как бы p-n переход, в середину которого встроен узкий активный слой. В реальности это выглядит примерно так:

Снизу вверх: n-слой (красный), активный слой (желтый), p-слой (синий). Сверху и снизу приделаны электроды; нижний обычно также служит теплоотводом. Электроны и дырки падают в активный слой и там рекомбинируют; лазерное излучение идет именно из этого слоя.

Концепция ДГС-лазера была очень простой, но реализовать такой переход на практике оказалось делом весьма нетривиальным. Про основную причину я писал в рассказе про синие светодиоды: переход от одного полупроводника к другому должен происходить без нарушения кристаллической решетки. Это значит, что постоянные решеток (т.е. расстояние между атомами) двух полупроводников должно быть почти одинаковым. В 60-е годы разные полупроводники только начинали изучать, и даже постоянные решеток многих из них были неизвестны. Поэтому по обе стороны океана учёные были заняты поиском «оптимальной пары» полупроводников с одинаковыми постоянными решеток, чтобы без проблем вырастить слой одного из них на другом. Это заняло целых пять лет по довольно забавным причинам, которые нельзя не упомянуть.

В институте Иоффе довольно быстро поняли, что оптимальной парой являются арсенид галлия с арсенидом алюминия (GaAs-AlAs). Но оказалось, что AlAs химически нестабилен в воздухе из-за водяных паров. Нестабилен до такой степени, что исследовать его приходилось в керосине! Так как на кону стояла работа лазера в нормальных условиях при комнатной температуре, то от AlAs сразу отказались и перешли на чуть менее перспективную пару GaAs-GaAsP. GaAsP – это троичное соединение, по сути, GaAs, в котором часть атомов мышьяка (As) заменена фосфором (P).

Через два года стало понятно, что GaAs-GaAsP лазер в принципе работает, но только при криогенных температурах. Из-за неидеального согласования постоянных решеток все попытки работы при комнатной температуре оборачивались неравномерным тепловым расширением и распространением дефектов на гетеропереходе. По сути, при включении тока лазер просто трескался по границе двух материалов.

В этот момент выяснилось, что за пару лет до этого кто-то в институте выращивал кристаллы AlGaAs, которые за ненадобностью оказались в письменном столе. Из-за большого содержания алюминия считалось, что за это время они должны разложиться во влажном воздухе. Поэтому новость о том, что за пару лет с кристаллами ничего не случилось, была весьма неожиданной: значит, что AlAs становится стабильным при добавлении небольшого количества галлия! (Стоит добавить, что сегодня возможно работать и с чистым AlAs: его тонкий слой, зажатый между двумя другими материалами, контактирует с воздухом только по очень тонкому краю и поэтому практически не разрушается.) Группа Алфёрова переключается на работу с парой GaAs-AlGaAs, и к 1968 году создает первый в мире лазер, работающий при комнатной температуре.

Проблема групп, работавших в США (RCA, IBM, Bell Labs) оказалась гораздо прозаичнее: они пользовались одними и теми же табличными данными для постоянных решеток, в которых значение для AlAs было неверным. Из-за этого пара GaAs-AlAs ими в принципе не рассматривалась, что задержало исследования на несколько лет! Первыми из американских групп пригодность системы GaAs-AlGaAs показали Руппрехт и Вудол из IBM.

Чуть позже выяснилось, что у ДГС есть еще одно интересное преимущество. Узкозонный полупроводник (который посередине) обычно обладает более высоким показателем преломления, чем широкозонный. Это значит, что он играет роль оптоволокна: свет, излученный в узкозонном слое, не идет во все стороны, а остается в нем до выхода из структуры. Это заметно увеличивает КПД лазера. Таким образом ДГС локализует не только электроны с дырками, но и излученный свет!

Создание гетероструктур оказалось гигантским прорывом в микроэлектронике. Он не остался незамеченным: за создание ДГС Алфёров и Крёмер были удостоены Нобелевской премии в 2000 году. Шокли получил свою Нобелевскую премию гораздо раньше – в 1956 году, за открытие транзистора.

Полосковая геометрия

Лазер, сделанный Алфёровым с коллегами, работал при комнатной температуре, но был импульсным. Следующей задачей было сделать лазер, работающий непрерывно. Основная проблема по-прежнему заключалась в теплоотводе: при непрерывной работе центральная часть лазера попросту перегревалась. К решению подходили с разных сторон: американские группы пытались приделать к лазеру эффективный алмазный теплоотвод, советские – использовать лазер не квадратной, а узкой вытянутой формы. Оба подхода оказались успешными, но второй – создание лазеров полосковой геометрии – оказался гораздо практичнее. Для него не нужен был алмаз, а обработка кристалла была гораздо проще.

Лазер с полосковой геометрией. Активная область представляет собой узкую длинную полосу, от которой хорошо отводится тепло.

Резонатор

В первой части мы узнали, что для создания зеркала можно отшлифовать края кристалла или просто аккуратно сколоть их. Еще можно поставить или приклеить зеркала снаружи – и, казалось бы, на этом идеи исчерпаны. Отнюдь! В 1971 году группа Алфёрова предложила использовать периодическую решетку, нанесенную на верхнюю плоскость активного слоя.

Удивительно то, что эта решетка не перпендикулярная лазерному лучу (как привычные нам зеркала), а параллельна ему! Несмотря на это, такая решетка не просто работает как эффективный резонатор, но и выдает хорошо сколлимированный лазерный луч. Называется это лазером с распределенной обратной связью.

Квантовые ямы

Давайте сближать две границы ДГС, уменьшая толщину активного слоя. C определенного момента близость барьеров с двух сторон начнет существенно влияет на поведение электрона. Это связано с квантованием движения электрона, поэтому такой объект называется квантовой ямой.

Главной особенностью квантовой ямы является то, что электроны не могут находиться на самом дне. Самый нижний уровень, на котором они могут располагаться (на рисунке Е1), называется основным (или первым) энергетическим уровнем квантовой ямы и находится заметно выше ее дна. А еще электрон может сидеть на более высоких энергетических уровнях – втором, третьем и так далее. Чем-то напоминает разные электронные орбитали в атомах.

А теперь самое интересное: глубина основного уровня может меняться в зависимости от ширины квантовой ямы. То есть сделали слой квантовой ямы пошире – уровень опустился глубже; поуже – уровень поднялся вверх:

Квантовые ямы разной ширины. Шире яма – ниже уровень, и наоборот.

Получается, немного изменяя ширину квантовой ямы, можно аккуратно подстраивать энергию лазерного перехода, а значит, и длину волны излучения! Эта новая степень свободы открыла простор для создания лазеров с практически произвольной длиной волны (разумеется, в разумных пределах).

Сегодня технологии роста кристаллов с произвольными толщинами слоев на основе GaAs хорошо отлажены. Но в каком-то смысле это дело небезопасное: и галлий, и мышьяк весьма ядовиты. В некоторых техпроцессах используется арсин (AsH3), еще более ядовитый газ со слабым запахом чеснока. Разумеется, на производстве стоят детекторы на утечку, но опытные технологи знают: если запахло чесноком – быть беде.

…Как-то раз в одном НИИ в ночь на первое апреля, когда все технологи уже разошлись по домам, один шутник решил намазать баллоны с арсином чесноком. С утра технологи вошли в помещение, вдохнули… Говорят, эвакуацию и вправду объявили, а что технологи сделали с шутником, история умалчивает :).

Квантово-каскадный лазер

Лазер излучает свет, когда электрон падает с более высокого энергетического уровня на более низкий. Например, из зоны проводимости в валентную зону (как все лазеры, рассмотренные выше). Или, скажем, с третьего уровня в квантовой яме на первый:

Интересная идея, не правда ли? Осталось как-то загнать электрон на верхний уровень. Наиболее эффективным оказалось использовать туннелирование из соседней квантовой ямы (подобная идея была предложена Рудольфом Казариновым и Робертом Сурисом из института Иоффе в 1971 году). Еще лучше получится, если поставить рядом много квантовых ям, чтобы электрон двигался из одной в другую, излучая свет:

Синие стрелочки – туннелирование из соседней ямы, красные – излучение света. Зонная структура сильно наклонена из-за приложенного напряжения.

Как видно, электрон поочередно излучает фотон и туннелирует в соседнюю яму, проходя несколько таких каскадов. По этой причине лазер назвали квантово-каскадным. Из схемы видно, что для его работы нужно точно согласовать энергетические уровни во всех квантовых ямах, что не так-то просто. Впервые это удалось Федерико Капассо и коллегам из AT&T в 1994 году.

Из особенностей квантово-каскадного лазера стоит отметить, что один электрон позволяет получить несколько фотонов, по одному на каскад. Это, несомненно, повышает КПД лазера. А еще расстояние между уровнями квантовой ямы очень невелико, поэтому излученный фотоны имеют большую длину волны. Это позволяет создавать эффективные лазеры, излучающие в ближнем и среднем ИК диапазоне.

VCSEL

У всех вышеупомянутых лазеров излучение распространяется перпендикулярно p-n переходу. В принципе, никто не мешает сделать так, чтобы излучение и p-n переход были параллельны. Для этого нужно немного изменить форму контактов и расположение зеркал. Получится примерно так:

Читайте также:  Какова частота переменного тока протекающего по виткам катушки обладающей индуктивностью 20мгн

Лазер на основе GaAs-AlAs. Синие слоистые структуры (DBR) – многослойные зеркала, я про них как-то рассказывал. Красный слой между зеркалами – квантовая яма, т.е. активная область. Желтым показаны электроды, они контактируют с зеркалами, которые проводят ток к активной области. Верхний электрод кольцевой, чтобы пропускать свет через середину; нижний кольцевой, потому что по-другому его не сделать.
Справа-сверху – лазер глазами электронного микроскопа. Кто догадается, почему половина слоев зеркала почернела с одного края, тому плюсик :).

Как видно из рисунка, этот лазер излучает свет не вбок, а вверх. Называется такая структура VCSELvertical cavity surface emitting laser, переводя дословно, поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором. Впервые эта идея была реализована в 1977 году группой Кеничи Ига из Токио, еще несколько лет потребовалось, чтобы оптимизировать лазеры. Преимущества того, что получилось, оказались впечатляющими:

— очень низкий рабочий ток
— низкая емкость перехода и, как следствие, высокое быстродействие
— возможность изготавливать зеркала и активную область за один этап техпроцесса
— возможность создания матрицы излучающих диодов на одном кристалле (причем, за тот же один этап техпроцесса!)

Матрица VCSEL.

Все эти свойства предопределили использование VCSEL в телекоммуникациях. Сейчас они уже применяются для передачи данных со скоростью 10 Гбит/с, исследуется возможность создания диодов на более высокие скорости – вплоть до 40 Гбит/с.

В русском языке устоявшегося аналога термина VCSEL нет. Мне нравится аббревиатура ВИЛ – вертикально излучающий лазер. Но чаще используют английский вариант с произношением «виксел» или «вексель». Иногда это приводит к казусам. Как-то раз в СМИ проскакивала заметка о новом производстве лазеров под рабочим названием «ВексельКом»; некоторые комментаторы предположили, что дело не обошлось без известного бизнесмена Вексельберга :).

А еще есть разновидность VCSEL, у которых нет верхнего зеркала – вместо него на каком-то расстоянии от лазера стоит внешнее зеркало. Их называют VECSEL – vertical external cavity surface-emitting laser. На слух названия не отличаются вообще! Я не знаю, как с этим борются англоговорящие, а по-русски VECSEL обычно называют дисковым лазером – его конструкция и правда сходна с обычными дисковыми лазерами.

Квантовые нити и квантовые точки

Как мы видели выше, квантовая яма – это очень тонкий слой полупроводника. Электроны, попавшие в нее, становятся по сути двумерными: они не могут вырваться вверх или вниз, но могут двигаться вперед-назад и влево-вправо. В начале 80-х годов появился вопрос: а можно ли дальше уменьшить размерность активной области (то есть сделать одномерный или нульмерный объект), и если да, то будет ли от этого какая-либо польза?

Двумерная, одномерная и нульмерная структуры.

Довольно скоро удалось изготовить такие структуры. Одномерную стали называть квантовой нитью или квантовой проволокой (“quantum wire”), нульмерную – квантовой точкой (“quantum dot”). Физика их оказалась крайне интересной; ну а что касается лазеров, то оказалось, что применение квантовых точек позволяет еще сильнее снизить рабочий ток лазеров. Их эффективность можно сравнить с предыдущими поколениями лазеров на наглядном графике:

Эволюция лазерных диодов. По вертикали – пороговый ток (чем меньше, тем легче заставить лазер работать). Три пунктира соответствуют трем поколениям технологий: двойные гетероструктуры, квантовые ямы, квантовые точки. Каждое следующее поколение снижало пороговый ток примерно на порядок.

Основной проблемой квантовых точек до сих пор остается сложность их изготовления: все полупроводниковые технологии уж слишком заточены под рост кристаллов «слой за слоем». Зато перед ними открываются невероятные перспективы, и энергоэффективные лазеры – лишь малая их часть. Точки в структурах типа VCSEL демонстрируют разнообразные квантовооптические эффекты; отдельно стоящие точки могут использоваться как источники одиночных и запутанных фотонов; их магнитные свойства позволяют рассматривать их как перспективные кубиты, и многое многое другое. Но это уже совсем другая история.

Источники

[1] Лекция Ж. И. Алфёрова в телепередаче «Academia», части первая и вторая.
[2] Нобелевские лекции по физике 2000 года в переводе журнала «Успехи физических наук».
[3] Kenichi Iga “Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser: Its Conception and Evolution”, Jap. J. of Appl. Phys. 47 (1), 1 (2008).

Источник



Лазеры полупроводниковые: виды, устройство, принцип работы, применение

Полупроводниковые лазеры являются квантовыми генераторами на основе полупроводниковой активной среды, в которой оптическое усиление создаётся вынужденным излучением при квантовом переходе между энергетическими уровнями при большой концентрации носителей заряда в свободной зоне.

Полупроводниковый лазер: принцип работы

В обычном состоянии большинство электронов расположено на уровне валентности. При подводе фотонами энергии, превышающей энергию зоны разрыва, электроны полупроводника приходят в состояние возбуждения и, преодолев запрещённую зону, переходят в свободную зону, концентрируясь у её нижнего края. Одновременно дырки, образовавшиеся на валентном уровне, поднимаются к её верхней границе. Электроны в свободной зоне рекомбинируют с дырками, излучая энергию, равную энергии зоны разрыва, в виде фотонов. Рекомбинация может быть усилена фотонами с достаточным уровнем энергии. Численное описание соответствует функции распределения Ферми.

лазеры полупроводниковые

Устройство

Устройство полупроводникового лазера представляет собой лазерный диод, накачиваемый энергией электронов и дырок в зоне р-n-перехода – месте соприкосновения полупроводников с проводимостью p- и n-типа. Кроме того, существуют лазеры полупроводниковые с оптическим подводом энергии, в которых пучок формируется при поглощении фотонов света, а также квантовые каскадные лазеры, работа которых основана на переходах внутри зон.

Состав

Стандартные соединения, используемые как в полупроводниковых лазерах, так и в других оптоэлектронных устройствах, следующие:

  • арсенид галлия;
  • фосфид галлия;
  • нитрид галлия;
  • фосфид индия;
  • арсенид индия-галлия;
  • арсенид алюминия-галлия;
  • арсенид-нитрид галлия-индия;
  • фосфид галлия-индия.

полупроводниковые лазеры

Длина волны

Эти соединения – прямозонные полупроводники. Непрямозонные (кремний) света с достаточной силой и эффективностью не излучают. Длина волны излучения диодного лазера зависит от степени приближения энергии фотона к энергии зоны разрыва конкретного соединения. В 3- и 4-компонентных соединениях полупроводников энергия зоны разрыва может непрерывно меняться в широком диапазоне. У AlGaAs = AlxGa1-хAs, например, увеличение содержание алюминия (увеличение х) имеет следствием рост энергии зоны разрыва.

В то время как наиболее распространенные полупроводниковые лазеры работают в ближней ИК части спектра, некоторые излучают красный (фосфид галлий-индия), синий или фиолетовый (нитрид галлия) цвета. Среднее инфракрасное излучение создают лазеры полупроводниковые (селенид свинца) и квантовые каскадные лазеры.

Органические полупроводники

Кроме вышеупомянутых неорганических соединений, могут применяться и органические. Соответствующая технология всё ещё находится в стадии разработки, но её развитие обещает значительно удешевить производство квантовых генераторов. Пока лишь разработаны органические лазеры с оптическим подводом энергии, а высокоэффективная электрическая накачка ещё не достигнута.

работа полупроводникового лазера

Разновидности

Создано множество полупроводниковых лазеров, отличающихся параметрами и прикладным значением.

Малые лазерные диоды производят качественный пучок торцевого излучения, мощность которого колеблется от нескольких до пятисот милливатт. Кристалл лазерного диода представляет собой тонкую пластинку прямоугольной формы, которая служит волноводом, так как излучение ограничено небольшим пространством. Кристалл легируется с двух сторон для создания p-n-перехода большой площади. Полированные торцы создают оптический резонатор Фабри — Перо. Фотон, проходя через резонатор, вызовет рекомбинацию, излучение будет возрастать, и начнётся генерация. Применяются в лазерных указателях, CD- и DVD-проигрывателях, а также в оптоволоконной связи.

устройство полупроводникового лазера

Маломощные монолитные лазеры и квантовые генераторы с внешним резонатором для формирования коротких импульсов могут производить синхронизацию мод.

Лазеры полупроводниковые с внешним резонатором состоят из лазера-диода, играющего роль усиливающей среды в составе большего лазер-резонатора. Способны изменять длины волн и имеют узкую полосу излучения.

Инжекционные полупроводниковые лазеры имеют область излучения в виде широкой полосы, могут генерировать пучок низкого качества мощностью несколько ватт. Состоят из тонкого активного слоя, расположенного между p- и n-слоем, образуя двойной гетеропереход. Механизм удержания света в боковом направлении отсутствует, что имеет следствием высокую эллиптичность пучка и неприемлемо высокие пороговые токи.

полупроводниковый лазер принцип работы

Мощные диодные линейки, состоящие из массива широкополосных диодов, способны производить луч посредственного качества мощностью в десятки ватт.

Мощные двумерные массивы диодов могут генерировать мощность в сотни и тысячи ватт.

Поверхностно-излучающие лазеры (VCSEL) испускают качественный пучок света мощностью в несколько милливатт перпендикулярно к пластине. На поверхности излучения наносят зеркала резонатора в виде слоёв в ¼ дины волны с различными показателями преломления. На одном кристалле можно изготовить несколько сотен лазеров, что открывает возможность их массового производства.

Лазеры VECSEL c оптическим подводом энергии и внешним резонатором способны генерировать пучок хорошего качества мощностью в несколько ватт при синхронизации мод.

инжекционные полупроводниковые лазеры

Работа полупроводникового лазера квантово-каскадного типа основана на переходах внутри зон (в отличие от междузонных). Эти устройства излучают в средней области инфракрасной части спектра, иногда в терагерцовом диапазоне. Их используют, например, в качестве газоанализаторов.

Полупроводниковые лазеры: применение и основные аспекты

Мощные диодные лазеры с высокоэффективной электрической накачкой при умеренных напряжениях используются в качестве средств подвода энергии высокоэффективных твердотельных лазеров.

Полупроводниковые лазеры могут работать в большом диапазоне частот, который включает видимую, ближнюю инфракрасную и среднюю инфракрасную часть спектра. Созданы устройства, позволяющие также изменять частоту издучения.

Лазерные диоды могут быстро переключать и модулировать оптическую мощность, что находит применение в передатчиках оптоволоконных линий связи.

Такие характеристики сделали лазеры полупроводниковые технологически наиболее важным типом квантовых генераторов. Они применяются:

  • в датчиках телеметрии, пирометрах, оптических высотомерах, дальномерах, прицелах, голографии;
  • в оптоволоконных системах оптической передачи и хранения данных, системах когерентной связи;
  • в лазерных принтерах, видеопроекторах, указателях, сканерах штрих-кода, сканерах изображений, проигрывателях компакт-дисков (DVD, CD, Blu-Ray);
  • в охранных системах, квантовой криптографии, автоматике, индикаторах;
  • в оптической метрологии и спектроскопии;
  • в хирургии, стоматологии, косметологии, терапии;
  • для очистки воды, обработки материалов, накачки твердотельных лазеров, контроля химических реакций, в промышленной сортировке, промышленном машиностроении, системах зажигания, системах ПВО.

полупроводниковые лазеры применение

Импульсный выход

Большинство полупроводниковых лазеров генерирует непрерывный пучок. Из-за короткой продолжительности пребывания электронов на уровне проводимости они не очень подходят для генерации импульсов с модуляцией добротности, но квазинепрерывный режим работы позволяет значительно повысить мощность квантового генератора. Кроме того, полупроводниковые лазеры могут быть использованы для формирования сверхкоротких импульсов с синхронизацией мод или переключением коэффициента усиления. Средняя мощность коротких импульсов, как правило, ограничивается несколькими милливаттами, за исключением VECSEL-лазеров с оптической накачкой, выход которых измеряется многоваттными пикосекундными импульсами частотой в десятки гигагерц.

Модуляция и стабилизация

Преимуществом кратковременного пребывания электрона в зоне проводимости является способность полупроводниковых лазеров к высокочастотному модулированию, которое у VCSEL-лазеров превышает 10 ГГц. Это нашло применение в оптической передаче данных, спектроскопии, стабилизации лазеров.

Источник