Светодиоды и лазеры на основе полупроводниковых гетероструктур

Длина волны излучения  лазерного диода зависит от ширины запрещённой зоны между энергетическими  уровнями p- и n-областей полупроводника.

В связи с тем, что излучающий элемент достаточно тонок, луч на выходе диода, благодаря дифракции, практически сразу расходится. Для  компенсации этого эффекта и получения тонкого луча необходимо применять собирающие линзы. Для многомодовых широких лазеров наиболее часто применяются цилиндрические линзы. Для одномодовых лазеров, при использовании симметричных линз, сечение луча будет эллиптическим, так как расхождение в вертикальной плоскости превышает расхождение в горизонтальной. Нагляднее всего это видно на примере луча лазерной указки.

В простейшем устройстве, которое  было описано выше, невозможно выделить отдельную длину волны, исключая значение, характерное для оптического резонатора. Однако в устройствах с несколькими продольными режимами и материалом, способным усиливать излучение в достаточно широком диапазоне частот, возможна работа на нескольких длинах волн. Во многих случаях, включая большинство лазеров с видимым излучением, они работают на единственной длине волны, которая, однако обладает сильной нестабильностью и зависит от множества факторов — изменения силы тока, внешней температуры и т. д. В последние годы описанная выше конструкция простейшего лазерного диода подвергалась многочисленным усовершенствованиям, чтобы устройства на их основе могли отвечать современным требованиям.

5.2 Лазеры на двойной гетероструктуре

В этих устройствах, слой материала  с более узкой запрещённой  зоной располагается между двумя слоями материала с более широкой запрещённой зоной. Чаще всего для реализации лазера на основе двойной гетероструктуры используют арсенид галлия (GaAs) и арсенид алюминия-галлия (AlGaAs). Каждое соединение двух таких различных полупроводников называется гетероструктурой, а устройство — «диод с двойной гетероструктурой» (ДГС). В англоязычной литературе используются названия «double heterostructure laser» или «DH laser». Описанная в начале статьи конструкция называется «диод на гомопереходе» как раз для иллюстрации отличий от данного типа, который сегодня используется достаточно широко.

Преимущество лазеров  с двойной гетероструктурой состоит  в том, что область сосуществования электронов и дырок («активная область») заключена в тонком среднем слое. Это означает, что много больше электронно-дырочных пар будут давать вклад в усиление — не так много их останется на периферии в области с низким усилением. Дополнительно, свет будет отражаться от самих гетеропереходов, то есть излучение будет целиком заключено в области максимально эффективного усиления.

5.3 Диод с квантовыми ямами

Если средний слой диода  ДГС сделать ещё тоньше, такой  слой начнёт работать как квантовая яма. Это означает, что в вертикальном направлении энергия электронов начнёт квантоваться. Разница между энергетическими уровнями квантовых ям может использоваться для генерации излучения вместо потенциального барьера. Такой подход очень эффективен с точки зрения управления длиной волны излучения, которая будет зависеть от толщины среднего слоя. Эффективность такого лазера будет выше по сравнению с однослойным лазером благодаря тому, что зависимость плотности электронов и дырок, участвующих в процессе излучения, имеет более равномерное распределение.

 

5.4 Гетероструктурные лазеры с раздельным удержанием

Основная проблема гетероструктурных  лазеров с тонким слоем — невозможность эффективного удержания света. Чтобы преодолеть её, с двух сторон кристалла добавляют ещё два слоя. Эти слои имеют меньший коэффициент преломления по сравнению с центральными слоями. Такая структура, напоминающая световод, более эффективно удерживает свет. Эти устройства называются гетероструктурами с раздельным удержанием («separate confinement heterostructure», SCH)

Большинство полупроводниковых  лазеров, произведённых с 1990-го года, изготовлены по этой технологии.

 

5.5 Применение полупроводникового лазера

Полупроводниковые лазеры — важные электронные компоненты. Они находят широкое применение как управляемые источники света в волоконно-оптических линиях связи. Также они используются в различном измерительном оборудовании, например лазерных дальномерах. Другое распространённое применение — считывание штрих-кодов. Лазеры с видимым излучением, обычно красные и иногда зелёные — в лазерных указках. Инфракрасные и красные лазеры — в проигрывателях CD- и DVD-дисков. Фиолетовые лазеры — в устройствах HD DVD и Blu-Ray. Синие лазеры — в проекторах нового поколения в качестве источника синего света и зеленого (получаемого за счёт флюоресценции специального состава под воздействием синего света). Исследуются возможности применения полупроводниковых лазеров в быстрых и недорогих устройствах для спектроскопии. До момента разработки надёжных полупроводниковых лазеров, в проигрывателях CD и считывателях штрих-кодов разработчики вынуждены были использовать небольшие гелий-неоновые лазеры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Заключение

Открылись широкие горизонты  практического применения ОК и волоконно-оптических систем передачи в таких отраслях народного хозяйства, как радиоэлектроника, информатика, связь, вычислительная техника, космос, медицина, голография, машиностроение, атомная энергетика и др. Волоконная оптика развивается по шести направлениям:

- многоканальные системы  передачи информации;

- кабельное телевидение; 

- локальные вычислительные  сети;

- датчики и системы  сбора обработки и передачи  информации;

- связь и телемеханика  на высоковольтных линиях;

- оборудование и монтаж  мобильных объектов.

Многоканальные ВОСП начинают широко использоваться на магистральных  и зоновых сетях связи страны, а также для устройства соединительных линий между городскими АТС. Объясняется  это большой информационной способностью ОК и их высокой помехозащищенностью. Особенно эффективны и экономичны подводные оптические магистрали. Применение оптических систем в кабельном телевидении обеспечивает высокое качество изображения и существенно расширяет возможности информационного обслуживания индивидуальных абонентов. В этом случае реализуется заказная система приема и предоставляется возможность абонентам получать на экране своих телевизоров изображения газетных полос, журнальных страниц и справочных данных из библиотеки и учебных центров.

На основе ОК создаются  локальные вычислительные сети различной  топологии (кольцевые, звездные и др.). Такие сети позволяют объединять вычислительные центры в единую информационную систему с большой пропускной способностью, повышенным качеством и защищенностью от несанкционированного допуска.

 

 

7. Список используемых источников:

1. К. И. Крылов, В. Т. Прокопенко, В. А. Тарлыков “Основы лазерной техники “. Машиностроение 1990 год.
2. П. Г. Елисеев “Введение в физику инжекционных лазеров”.
3. http://www.transistor.ru/catalog/leds/50/
4. "Волоконно-оптическая техника", Технико-коммерческий сборник. М., АО ВОТ, N1, 1993
5. Антипенко Б.М., Березин Ю.Д., Волков З.В. и др. Лазеры с различными параметрами излучения. – 1987 № 4
6. Березин Ю.Д., Волков В.В., Кулаков Я.Л. и др. Применение импульсно–периодического лазерного излучения. // Тез. докл. VI Всесоюзн. конф. “Оптика лазеров”, 1990. Л.