Инжекционные гетеролаэеры
Инжекционный лазер — одно из лучших прикладных
достижений физики твердого тела
последнего десятилетия. В этом приборе впервые
удалось достичь прямого преобразования
электрической энергии в энергию когерентного светового
излучения. Высокий КПД, простота модуляции
вплоть до частот в сотни мегагерц, миниатюрность, большая долговечность и малая
потребляемая мощность — эти качества открывали новому прибору широкие перспективы применения. К исследованию
свойств инжекционных лазеров, в особенности
изготовленных на основе арсенида галлия, как наиболее высококачественных
и практически ценных обратились физики во
многих лабораториях мира. В течение
1963—1966 гг. были опубликованы сотни работ.
К сожалению, радужные перспективы быстро
померкли, и область
применения инжекционных
лазеров реально стала
быстро сужаться. Чрезвычайно
большая величина пороговой плотности
тока, требуемая для
начала генерации в приборе, и сильная температурная зависимость ее вынудили
применять громоздкие системы охлаждения,
привели к необходимости использовать питание
короткими импульсами. Высокий КПД оказался
возможным только в режиме генерации:
внешний квантовый выход составляет
доли процента при плотности тока ниже пороговой и резко возрастает
лишь после начала генерации. Вследствие
высокой плотности порогового тока
(Упор= 25-103 а/см2
- рекордный результат для лазеров из
GaAs
при комнатной
температуре)
рабочая область токов не может существенно
превышать порог: при
высоком дифференциальном
квантовом выходе суммарный квантовый
выход не превышал 2—3%
при 300 °К и не было
видно путей его
повышения. По той же причине
из-за большой
плотности порогового тока долговечность
прибора оказалась низкой: через
несколько часов работы
начиналась деградация
рабочих параметров.
-
Физические причины этих недостатков можно
понять из
рассмотрения простейшей схемы
работы прибора (рис.
5). Для достижения инверсной
заселенности необходимо, чтобы расхождение
квазиуровней Ферми EFn
и
EFp
было больше
энергии кванта генерируемого излучения.
Поэтому в лазере на основе
обычного р—n перехода необходимо использовать
«вырожденный» переход, когда степень
легирования р- и n-частей перехода настолько велика, что уровень Ферми находится в разрешенных
зонах.
- Один
из основных механизмов внутренних
потерь квантового генератора связан с поглощением
светового излучения в активной области
на
свободных носителях и
дефектах внутри нее.
Необходимость сильного легирования приводит
к
высокой плотности
равновесных носителей и
большой концентрации
дефектов в активной
области, а
следовательно, и к значительным потерям.
-
Концентрация
инжектированных р—п переходом электронов и дырок (в арсениде галлия
вследствие разницы в
эффективных массах электронов
и дырок имеет место в симметричном переходе преимущественная инжекция в
p-область)
плавно спадает по обе стороны от перехода,
так что область рекомбинации и область
инверсной населенности не совпадают. Таким
образом,
имеют место дополнительные рекомбинационные потери в пассивных областях.
-
Оптическая неоднородность среды
связана
только с распределением примесей и концентрацией
инжектированных носителей. Поэтому заметную
роль играют дифракционные потери
светового излучения из активной области в пассивную.
Благодаря большим потерям требуется
значительный коэффициент усиления для их компенсации
и достижения генерации, т. е. высокая
пороговая плотность
тока. Из-за наличия
неустранимых в принципе потерь внешний квантовый выход заметно ниже
внутреннего, и, таким
образом, принципиально невозможно достижение
квантового выхода,
близкого к 100% (даже при
низких температурах).
-
Инверсия населенности
достигается чисто инжекционным
способом (двойная инжекция), и
для
ее
достижения не требуется высокого уровня
легирования и тем более вырождения. Все это
приводит к
резкому снижению потерь и пороговой плотности тока.
-
В такой
структуре внешний и внутренний квантовый выходы практически
совпадают и имеется принципиальная
возможность
получения квантового выхода, близкого к
100%.
- В
настоящее время созданы
инжекционные гетеролазеры с пороговой плотностью тока '
500—1000 а/м2
при 300° К. У этих гетеролазеров внешняя дифференциальная квантовая эффективность
достигает 80%, а полный
КПД —
25%.
-
Низкая пороговая плотность тока
обеспечила
осуществление непрерывного режима работы
при комнатной
температуре, что было невозможно
при использовании инжекционных лазеров на обычных р—п переходах.
-
Энергия когерентного излучения определяется
составом твердых растворов
Al^Ga^As
в среднем
слое и может быть задана в диапазоне длин
волн
6900—9000 А.
-
- На
фотографии (рис. 7)
показана картина излучения одного из лазеров,
имеющего длину волны
когерентного света 7000 А при 300°К.
Спонтанное
излучение, распространяющееся
изотропно, глубоко
проникает в прозрачные для
него эмиттеры, и узкая
яркая полоса когерентного света
четко выделяется на его
фоне. Благодаря
равномерной генерации в
активной области
расходимость пучка составляет величину
менее
0,5° в плоскости, параллельной переходу. Долговечность
гетеролазеров в непрерывном режиме
работы
при комнатной температуре составляет в настоящее время 10 тыс. ч.
-
Для сравнения
заметим, что лазеры с обычным
р—п
переходом в арсениде
галлия имел и при 300°
К
пороговый ток
(30-—50)-103 а/см2,
дифференциальную квантовую эффективность 10-—15% и
полный
КПД 1—2%.
- Таким
образом, создание инжекционных лазеров
с гетеропереходами в
системе
AlAs-—GaAs
позволило
значительно
снизить порог
генерации и обеспечить надежную работу инжекционных полупроводниковых квантовых генераторов при
комнатной
температуре. В связи с этим исключительную
актуальность приобрела
задача совмещения таких
неоспоримых достоинств
инжекционных гетеролазеров, как высокий КПД,
малые
габариты,
быстродействие с традиционной для
лазеров
высокой
направленностью излучения.
Для этого необходимо было
отказаться от обычного
вывода излучения через торец
волноводного
слоя и осуществить
его через плоскость, параллельную
этому слою.
- Новый
подход
к решению указанной задачи
был
намечен, когда
для получения узконаправленного
излучения было предложено использовать
дифракционную
решетку, нанесенную на
поверхность волноводного слоя.
- При
шаге
решетки, близком к длине
волны света, в веществе
возможен вывод большей части
генерируемой световой
мощности перпендикулярно волноводному
слою.
- При
этом
существенно увеличивается
апертура излучающей
поверхности (в
обычном гетеролазере
или гомо р—п лазере
вследствие малой толщины активной
области расходимость в
плоскости,
перпендикулярной волноводному
слою,
составляет десятки градусов).
-
Впервые
экспериментально возможность создания
полупроводникового лазера с
малой расходимостью
излучения была продемонстрирована
в условиях
оптической накачки, где
вывод излучения через
плоскость, параллельную
активному слою, был
осуществлен за счет
взаимодействия
волноводной моды с дифракционной
решеткой на
поверхности волновода.
-
Направленность когерентного
излучения определялась
уже
не величиной апертуры, а полушириной спектральной
линии
и для
многомодовой генерации составляла
величину около 30 минут. Для
получения аналогичного эффекта в случае инжекционной накачки
была разработана специально конструкция
гетеролазера.
- В средней
части лазера
со стороны p
-эмиттера с помощью контролируемого
электрохимического
травления было
протравлено окно до волноводного слоя (рис.
8).
На поверхность волновода
методом интерференционного
фототравления
была нанесена дифракционная
решетка с шагом
около
0,22 мкм.
-
- Несмотря на
наличие пассивной области в резонаторе пороговая плотность тока в
изображенной
на рис. 8 структуре незначительно превышала
значение пороговой плотности для
обычных гетеролазеров,
что свидетельствовало о малом уровне
потерь,
вносимых этой областью. Указанный
факт является следствием
эффекта сужения ширины запрещенной зоны
в областях с высоким
уровнем инжекции, обеспечивающего смещение
линии генерации
в область
энергий, меньших
ширины запрещенной зоны
материала
пассивной
части волновода.
- Свет,
распространяющийся в пассивной части
волновода,
выводился с
помощью дифракционной
решетки,
нанесенной на его поверхности.
-
Расходимость излучения
в
плоскости, перпендикулярной
волноводному слою
и решетке, измеренная в
наиболее интенсивном луче,
составляла
30 мин и
определялась спектральной шириной
линии генерации аналогично
случаю оптической
накачки.
- Таким образом, принципиально показана
возможность создания
инжекционных низкопороговых лазеров с высокой направленностью
излучения.
- Дифракционная решетка с шагом,
равным или
кратным длине волны
света в
веществе, может
служить
плоским резонатором благодаря отражению
световой
моды в такой решетке, где выполнены условия Вульфа-Брегга. В последнем
случае
инжекционный лазер с распределенной обратной связью, как его называют, не
требует
наличия
сколотых граней (резонатор Фабри-Перо). Такие структуры открывают новые
перспективы
в
интегральной оптике.