Лазерный диод

Лазерный диод

Комплектный лазерный диод показан с копейкой для масштаба*488 нм: InGaN зелено-синий лазер; стал широко доступен в середине 2018 года.
Тип	полупроводник , светодиод
Working principleПринцип работы	полупроводник , генерация носителей и рекомбинация
Изобретенный	Роберт Н. Холл , 1962 год; Ник Холоньяк-младший , 1962 год.
Конфигурация контактов	Анод и катод

Чип лазерного диода снят и помещен в ушко иглы для масштабирования.

Лазерный диод со срезанным корпусом. Чип лазерного диода представляет собой небольшой черный чип спереди; фотодиод сзади используется для управления выходной мощностью.

СЭМ ( сканирующий электронный микроскоп ) изображение коммерческого лазерного диода с вырезанным корпусом и окном. Анодное соединение справа было случайно повреждено в процессе резки корпуса.

Лазерный диод ( LD , также инжекционный лазерный диод или ILD или полупроводниковый лазер или диодный лазер ) — полупроводниковое устройство, похожее на светоизлучающий диод , в котором диод, накачиваемый непосредственно электрическим током, может создавать условия генерации диода на переходе .

Под действием напряжения легированный p – n-переход допускает рекомбинацию электрона с дыркой . В результате падения электрона с более высокого энергетического уровня на более низкий генерируется излучение в виде испускаемого фотона. Это спонтанное излучение. Стимулированное излучение может быть произведено, если процесс продолжается и в дальнейшем генерирует свет с той же фазой, когерентностью и длиной волны.

Выбор полупроводникового материала определяет длину волны излучаемого луча, которая в современных лазерных диодах варьируется от инфракрасного до ультрафиолетового (УФ) спектра. Лазерные диоды являются наиболее распространенным типом производимых лазеров и имеют широкий спектр применения, включая оптоволоконную связь , считыватели штрих-кодов , лазерные указки , CD / DVD / Blu-ray чтение/запись дисков , лазерную печать , лазерное сканирование и световой луч. освещение. При использовании люминофора, подобного тому, что есть в белых светодиодах , лазерные диоды можно использовать для общего освещения.

Теория

Полупроводниковые лазеры (снизу вверх: 660 нм, 635 нм, 532 нм, 520 нм, 445 нм, 405 нм)

Лазерный диод электрически является PIN-диодом . Активная область лазерного диода находится в собственной (I) области, и носители (электроны и дырки) накачиваются в эту область из N- и P-областей соответственно. Хотя первоначальные исследования диодного лазера проводились на простых P – N-диодах, все современные лазеры используют реализацию двойной гетероструктуры, где носители и фотоны ограничены, чтобы максимизировать их шансы на рекомбинацию и генерацию света. В отличие от обычного диода, цель лазерного диода — рекомбинировать все носители в I-области и производить свет. Таким образом, лазерные диоды изготавливаются с использованием полупроводников с прямой запрещенной зоной . структура лазерного диода Эпитаксиальная выращивается с использованием одного из методов выращивания кристаллов , обычно начиная с подложки, легированной N , и выращивая активный слой, легированный I, за которым следует оболочка, легированная P , и контактный слой. Активный слой чаще всего состоит из квантовых ям , которые обеспечивают меньший пороговый ток и более высокий КПД.

Электрическая и оптическая накачка

Лазерные диоды составляют подмножество более широкой классификации полупроводниковых диодов с p – n- переходом. двух видов носителей заряда – дырок и электронов – Прямое электрическое смещение лазерного диода приводит к инжекции с противоположных сторон p – n -перехода в область обеднения. Дырки инжектируются из p -легированного полупроводника в n- легированный, а электроны наоборот. ( Область обеднения , лишенная каких-либо носителей заряда, образуется в результате разницы электрического потенциала между полупроводниками n- и p -типа везде, где они находятся в физическом контакте.) Благодаря использованию инжекции заряда в питании большинства диодных лазеров, этот класс лазеров иногда называют инжекционными лазерами или инжекционными лазерными диодами (ИЛД). Поскольку диодные лазеры являются полупроводниковыми устройствами, их также можно отнести к полупроводниковым лазерам. Любое обозначение отличает диодные лазеры от твердотельных лазеров .

Другой способ питания некоторых диодных лазеров — использование оптической накачки . Полупроводниковые лазеры с оптической накачкой (OPSL) используют полупроводниковый чип III-V в качестве усиливающей среды и другой лазер (часто другой диодный лазер) в качестве источника накачки. OPSL имеют ряд преимуществ перед ILD, особенно в выборе длины волны и отсутствии помех со стороны внутренних электродных структур. Еще одним преимуществом OPSL является неизменность параметров луча – расходимости, формы и направленности – при изменении мощности накачки (и, следовательно, выходной мощности), даже при соотношении выходной мощности 10:1.

Генерация спонтанного излучения

Когда электрон и дырка присутствуют в одной и той же области, они могут рекомбинировать или аннигилировать, производя спонтанное излучение — т. е. электрон может вновь занять энергетическое состояние дырки, испуская фотон с энергией, равной разнице между энергией электрона и дыркой. исходное состояние и состояние дыры. (В обычном полупроводниковом диоде энергия, выделяемая в результате рекомбинации электронов и дырок, уносится в виде фононов , то есть колебаний решетки, а не в виде фотонов.) Спонтанное излучение ниже порога генерации дает свойства, аналогичные свойствам светодиода . Спонтанное излучение необходимо для инициирования лазерной генерации, но оно является одним из нескольких источников неэффективности, когда лазер колеблется.

Полупроводники с прямой и непрямой запрещенной зоной

Разница между полупроводниковым лазером, излучающим фотоны, и обычным полупроводниковым диодом, излучающим фононы (не излучающим свет), заключается в типе используемого полупроводника, физическая и атомная структура которого обеспечивает возможность излучения фотонов. Эти полупроводники, излучающие фотоны, представляют собой так называемые полупроводники с «прямой запрещенной зоной» . Свойства кремния и германия, которые являются одноэлементными полупроводниками, имеют запрещенные зоны, которые не выравниваются так, как это необходимо для эмиссии фотонов, и не считаются прямыми . Другие материалы, так называемые сложные полупроводники, имеют практически идентичную кристаллическую структуру, как кремний или германий, но используют чередующееся расположение атомов двух разных видов в шахматном порядке, чтобы нарушить симметрию. Переход между материалами в чередующемся узоре создает критическое свойство прямой запрещенной зоны . Арсенид галлия , фосфид индия , антимонид галлия и нитрид галлия — все это примеры сложных полупроводниковых материалов, которые можно использовать для создания переходных диодов, излучающих свет.

Схема простого лазерного диода, например, показанная выше; не в масштабе

Простой и маломощный лазерный диод в металлическом корпусе.

Генерация вынужденного излучения

В отсутствие условий стимулированного излучения (например, лазерной генерации) электроны и дырки могут сосуществовать вблизи друг друга, не рекомбинируя, в течение определенного времени, называемого временем жизни верхнего состояния или временем рекомбинации (около наносекунды для типичных материалов для диодных лазеров). ), прежде чем они рекомбинируются. Близкий фотон с энергией, равной энергии рекомбинации, может вызвать рекомбинацию путем вынужденного излучения . Это генерирует еще один фотон той же частоты, поляризации и фазы , движущийся в том же направлении, что и первый фотон. Это означает, что стимулированное излучение приведет к усилению оптической волны (правильной длины волны) в области инжекции, причем усиление увеличивается по мере увеличения количества электронов и дырок, инжектированных через переход. Процессы спонтанной и вынужденной эмиссии гораздо более эффективны в с прямой запрещенной зоной, полупроводниках с непрямой запрещенной зоной чем в полупроводниках ; поэтому кремний не является распространенным материалом для лазерных диодов.

Оптический резонатор и лазерные моды

Как и в других лазерах, область усиления окружена оптическим резонатором, образующим лазер. В простейшей форме лазерного диода на поверхности кристалла создается оптический волновод, так что свет ограничивается относительно узкой линией. Два конца кристалла сколоты, образуя идеально гладкие параллельные края, образуя резонатор Фабри – Перо . Фотоны, излучаемые в моду волновода, будут путешествовать по волноводу и несколько раз отражаться от каждой торцевой поверхности, прежде чем выйти. Когда световая волна проходит через полость, она усиливается за счет вынужденного излучения , но свет также теряется из-за поглощения и неполного отражения от торцевых граней. Наконец, если усиление больше, чем потери, диод начинает генерировать генерацию .

Некоторые важные свойства лазерных диодов определяются геометрией оптического резонатора. Обычно свет содержится в очень тонком слое, а структура поддерживает только одну оптическую моду в направлении, перпендикулярном слоям. В поперечном направлении, если ширина волновода превышает длину волны света, волновод может поддерживать несколько поперечных оптических мод , а лазер называется многомодовым . Эти поперечно-многомодовые лазеры подходят в тех случаях, когда требуется очень большая мощность, а не небольшой дифракционно-ограниченный луч TEM00; например, при печати, активации химикатов, микроскопии или накачке других типов лазеров.

В приложениях, где необходим небольшой сфокусированный луч, волновод должен быть узким, порядка оптической длины волны. Таким образом, поддерживается только одна поперечная мода, и в результате получается луч, ограниченный дифракцией. Такие устройства с одним пространственным режимом используются для оптических накопителей, лазерных указателей и волоконной оптики. Обратите внимание, что эти лазеры по-прежнему могут поддерживать несколько продольных мод и, следовательно, могут генерировать одновременно несколько длин волн. Излучаемая длина волны является функцией ширины запрещенной зоны полупроводникового материала и мод оптического резонатора. В общем, максимальный коэффициент усиления будет наблюдаться для фотонов с энергией, немного превышающей энергию запрещенной зоны, и моды, ближайшие к пику кривой усиления, будут генерировать наиболее сильно. Ширина кривой усиления будет определять количество дополнительных боковых мод , которые также могут генерировать, в зависимости от условий эксплуатации. Лазеры с одной пространственной модой, которые могут поддерживать несколько продольных мод, называются лазерами Фабри Перо (FP). FP-лазер будет генерировать несколько мод резонатора в пределах полосы усиления лазерной среды. Число мод генерации в ФП-лазере обычно нестабильно и может колебаться из-за изменений тока или температуры.

Диодные лазеры с одной пространственной модой могут быть сконструированы так, чтобы работать на одной продольной моде. Эти одночастотные диодные лазеры обладают высокой степенью стабильности и используются в спектроскопии и метрологии, а также в качестве эталонов частоты. Одночастотные диодные лазеры классифицируются как лазеры с распределенной обратной связью (DFB) или лазеры с распределенным брэгговским отражателем (DBR).

Формирование лазерного луча

Из-за дифракции луч быстро расходится (расширяется) после выхода из чипа, обычно под углом 30 градусов по вертикали и 10 градусов по горизонтали. . линзу Для формирования коллимированного луча, подобного лучу лазерной указки, необходимо использовать Если требуется круглый луч, используются цилиндрические линзы и другая оптика. В однопространственных лазерах с симметричными линзами коллимированный луч имеет эллиптическую форму из-за разницы в вертикальной и боковой расходимости. Это легко заметить с помощью красной лазерной указки . Длинная ось эллипса расположена под прямым углом к ​​плоскости чипа.

Описанный выше простой диод в последние годы был сильно модифицирован с учетом современных технологий, в результате чего появилось множество типов лазерных диодов, как описано ниже.

История

Ник Холоньяк , изобретатель первого полупроводникового лазерного диода видимой длины волны

После теоретических исследований М.Г. Бернара, Г. Дюраффура и Уильяма П. Думке в начале 1960-х годов когерентное излучение света от полупроводникового диода из арсенида галлия (GaAs) (лазерного диода) было продемонстрировано в 1962 году двумя американскими группами под руководством Роберта Н. Холла. в General Electric исследовательском центре и Маршалл Натан из Исследовательского центра IBM TJ Watson. Продолжаются споры о том, изобрели ли IBM или GE первый лазерный диод, который во многом был основан на теоретической работе Уильяма П. Дамке в лаборатории IBM в Китчаване (в настоящее время известной как Исследовательский центр Томаса Дж. Уотсона) в Йорктаун-Хайтс, штат Нью-Йорк. Приоритет отдается группе General Electric, которая получила и представила свои результаты раньше; они тоже пошли дальше и сделали для своего диода резонансный резонатор. Первоначально Бен Лакс из Массачусетского технологического института и другие ведущие физики предполагали, что кремний или германий можно использовать для создания лазерного эффекта, но теоретический анализ убедил Уильяма П. Дамке, что эти материалы не будут работать. Вместо этого он предложил в качестве хорошего кандидата арсенид галлия. Первый лазерный диод видимой длины волны был продемонстрирован Ником Холоньяком-младшим позже, в 1962 году; он использовал сплав арсенид-фосфид галлия.

Другие команды из Лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института , Texas Instruments и RCA Laboratories также приняли участие и получили признание за свои исторические первые демонстрации эффективного излучения света и генерации в полупроводниковых диодах в 1962 году и впоследствии. GaAs-лазеры были также произведены в начале 1963 года в Советском Союзе коллективом под руководством Николая Басова .

В начале 1960-х годов жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ) была изобретена Гербертом Нельсоном из RCA Laboratories. Наложение слоев кристаллов высочайшего качества различного состава позволило на протяжении многих лет демонстрировать высококачественные полупроводниковые лазерные материалы на гетеропереходе. LPE был принят всеми ведущими лабораториями мира и использовался на протяжении многих лет. В 1970-х годах его окончательно вытеснили молекулярно-лучевая эпитаксия и металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы .

Диодные лазеры той эпохи работали с пороговой плотностью тока 1000 А/см. ² при температуре 77 К. Такие характеристики позволили продемонстрировать непрерывную генерацию на первых порах. Однако при работе при комнатной температуре, около 300 К, пороговые плотности тока были на два порядка выше, или 100 000 А/см. ² в лучших устройствах. Главной задачей до конца 1960-х годов было получить низкую пороговую плотность тока при 300 К и тем самым продемонстрировать непрерывную генерацию диодного лазера при комнатной температуре.

Первые диодные лазеры представляли собой диоды с гомопереходом. То есть материал (и, следовательно, ширина запрещенной зоны) сердцевинного слоя волновода и окружающих слоев оболочки были идентичными. Было признано, что существует возможность, особенно благодаря использованию жидкофазной эпитаксии с использованием арсенида алюминия-галлия, для введения гетеропереходов. Гетероструктуры состоят из слоев полупроводникового кристалла с различной шириной запрещенной зоны и показателем преломления. Гетеропереходы (сформированные из гетероструктур) были признаны Гербертом Кремером , работавшим в лабораториях RCA в середине 1950-х годов, как обладающие уникальными преимуществами для нескольких типов электронных и оптоэлектронных устройств, включая диодные лазеры. ЛФЭ дал технологию создания диодных лазеров на гетеропереходе. В 1963 году он предложил лазер с двойной гетероструктурой .

Первые диодные лазеры с гетеропереходом представляли собой лазеры с одним гетеропереходом. В этих лазерах использовались инжекторы из арсенида галлия алюминия p- типа, расположенные над слоями арсенида галлия n -типа, выращенными на подложке методом ЖФЭ. Примесь алюминия заменила галлий в полупроводниковом кристалле и увеличила запрещенную зону инжектора p -типа по сравнению с расположенными под ним слоями n -типа. Это сработало; пороговые токи 300 К снизились в 10 раз до 10 000 ампер на квадратный сантиметр. К сожалению, это все еще не было в необходимом диапазоне, и эти диодные лазеры с одной гетероструктурой не работали в непрерывном режиме при комнатной температуре.

Инновацией, которая позволила решить проблему комнатной температуры, стал лазер с двойной гетероструктурой. Хитрость заключалась в том, чтобы быстро перемещать пластину в аппарате ЖФЭ между разными расплавами арсенида алюминия-галлия ( p- и n -типа) и третьим расплавом арсенида галлия. Это нужно было сделать быстро, поскольку толщина сердцевины из арсенида галлия должна была быть значительно меньше 1 мкм. Первым лазерным диодом, способным работать в непрерывном режиме , была двойная гетероструктура, продемонстрированная в 1970 году практически одновременно Жоресом Алферовым и его сотрудниками (включая Дмитрия З. Гарбузова ) из Советского Союза , а также Мортоном Пэнишем и Идзуо Хаяши, работавшими в Соединенных Штатах. Однако общепризнано, что Жорес Алферов и его команда первыми достигли этого рубежа.

За свои достижения и достижения своих коллег Алферов и Кремер разделили Нобелевскую премию по физике 2000 года.

Типы

Простая структура лазерного диода, описанная выше, неэффективна. Такие устройства требуют настолько большой мощности, что без повреждений могут обеспечить только импульсную работу. Хотя такие устройства исторически важны и их легко объяснить, они непрактичны.

Лазеры с двойной гетероструктурой

Схема лазерного диода с двойной гетероструктурой, вид спереди; не в масштабе

В этих устройствах слой материала с узкой запрещенной зоной расположен между двумя слоями с широкой запрещенной зоной. Одной из часто используемых пар материалов является арсенид галлия (GaAs) и арсенид алюминия-галлия (Al _x Ga _(1-x) As). Каждый из переходов между материалами с различной запрещенной зоной называется гетероструктурой , отсюда и название с двойной гетероструктурой лазера (DH). Тип лазерного диода, описанный в первой части статьи, можно назвать лазером на гомопереходе , в отличие от этих более популярных устройств.

Преимущество ДГ-лазера состоит в том, что область, в которой одновременно существуют свободные электроны и дырки, — активная область — ограничена тонким средним слоем. Это означает, что гораздо больше электронно-дырочных пар могут способствовать усилению — не так уж много остается на периферии с плохим усилением. Кроме того, свет отражается внутри гетероперехода; следовательно, свет ограничен областью, где происходит усиление.

Лазеры с квантовыми ямами

Основная статья: Лазер с квантовыми ямами

Схема простого лазерного диода с квантовой ямой, вид спереди; не в масштабе

Если средний слой сделать достаточно тонким, он действует как квантовая яма . электрона Это означает, что вертикальное изменение волновой функции и, следовательно, компонента его энергии квантуется. Эффективность лазера с квантовыми ямами выше, чем у объемного лазера, поскольку функция плотности состояний электронов в системе с квантовыми ямами имеет резкий край, который концентрирует электроны в энергетических состояниях, которые способствуют лазерному действию.

Лазеры, содержащие более одного слоя квантовых ям, известны как лазеры с несколькими квантовыми ямами . Множественные квантовые ямы улучшают перекрытие области усиления с оптического волновода модой .

Дальнейшее повышение эффективности лазера было также продемонстрировано за счет превращения слоя квантовой ямы в квантовую проволоку или в море квантовых точек .

Квантовые каскадные лазеры

Основная статья: Квантовый каскадный лазер

В квантовом каскадном лазере для лазерного перехода вместо ширины запрещенной зоны используется разница между уровнями энергии квантовых ям. Это позволяет воздействовать лазером на относительно длинных волнах , которые можно настроить, просто изменяя толщину слоя. Это лазеры на гетеропереходе.

Межзонные каскадные лазеры

Основная статья: Межполосный каскадный лазер

Межполосный каскадный лазер (ICL) — это тип лазерного диода, который может генерировать когерентное излучение в большей части средней инфракрасной области электромагнитного спектра.

Лазеры на гетероструктурах с раздельным ограничением

Схема вида спереди отдельного лазерного диода с квантовой ямой на гетероструктуре ограничения; не в масштабе

Проблема с простым диодом с квантовой ямой, описанным выше, заключается в том, что тонкий слой слишком мал, чтобы эффективно ограничивать свет. Чтобы компенсировать это, добавляются еще два слоя помимо первых трех. Эти слои имеют более низкий показатель преломления , чем центральные слои, и, следовательно, эффективно ограничивают свет. Такая конструкция называется лазерным диодом на гетероструктуре с раздельным ограничением (SCH).

Почти все коммерческие лазерные диоды с 1990-х годов были диодами с квантовыми ямами SCH.

Лазеры с распределенным брэгговским отражателем

Лазер с распределенным брэгговским отражателем (DBR) представляет собой тип одночастотного лазерного диода. Он характеризуется оптическим резонатором, состоящим из области усиления с электрической или оптической накачкой между двумя зеркалами для обеспечения обратной связи. Одно из зеркал представляет собой широкополосный отражатель, а другое зеркало избирательно по длине волны, так что усиление преимущественно происходит на одной продольной моде, что приводит к генерации генерации на одной резонансной частоте. Широкополосное зеркало обычно имеет покрытие с низкой отражательной способностью, обеспечивающее излучение. Зеркало, селективное по длине волны, представляет собой дифракционную решетку периодической структуры с высокой отражательной способностью. Дифракционная решетка находится внутри ненакачиваемой или пассивной области резонатора. Лазер DBR представляет собой монолитное однокристальное устройство с решеткой, выгравированной в полупроводнике. Лазеры DBR могут быть лазерами краевого излучения или VCSEL . Альтернативные гибридные архитектуры, имеющие ту же топологию, включают диодные лазеры с расширенным резонатором и лазеры с объемной брэгговской решеткой, но их неправильно называют лазерами DBR.

Лазеры с распределенной обратной связью

Основная статья: Лазер с распределенной обратной связью

Лазер с распределенной обратной связью (DFB) — это тип одночастотного лазерного диода. DFB являются наиболее распространенным типом передатчиков в DWDM -системах. Для стабилизации длины волны генерации вблизи p–n-перехода диода вытравливается дифракционная решетка. Эта решетка действует как оптический фильтр, возвращая одну длину волны обратно в область усиления и в лазер. Поскольку решетка обеспечивает обратную связь, необходимую для генерации, отражение от граней не требуется. Таким образом, по меньшей мере одна грань DFB имеет просветляющее покрытие . DFB-лазер имеет стабильную длину волны, которая устанавливается во время производства с помощью шага решетки и может лишь незначительно регулироваться с помощью температуры. DFB-лазеры широко используются в приложениях оптической связи, где точная и стабильная длина волны имеет решающее значение.

Пороговый ток этого DFB-лазера, исходя из его статической характеристики, составляет около 11 мА. Соответствующий ток смещения в линейном режиме может быть взят в середине статической характеристики (50 мА). Было предложено несколько методов для улучшения одномодовой работы в этих типах лазеров путем введения однофазного сдвига (1PS ) или многофазный сдвиг (МПС) в однородной брэгговской решетке. Однако DFB-лазеры с несколькими фазовыми сдвигами представляют собой оптимальное решение, поскольку они сочетают в себе более высокий коэффициент подавления боковых мод и уменьшенное выгорание пространственных дырок.

Лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором

Основная статья: Лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором

Схема простой структуры VCSEL; не в масштабе

Лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL) имеют ось оптического резонатора вдоль направления тока, а не перпендикулярно потоку тока, как в обычных лазерных диодах. Длина активной области очень мала по сравнению с поперечными размерами, поэтому излучение выходит с поверхности резонатора, а не с его края, как показано на рисунке. Отражатели на концах резонатора представляют собой диэлектрические зеркала, изготовленные из толстого четвертьволнового многослойного материала с чередующимися высокими и низкими показателями преломления.

Такие диэлектрические зеркала обеспечивают высокую степень селективного отражения по длине волны при необходимой длине волны свободной поверхности λ, если толщины чередующихся слоев d ₁ и d ₂ с показателями преломления n ₁ и n ₂ таковы, что n ₁ d ₁ + n ₂ d ₂ = λ/2, что затем приводит к конструктивной интерференции всех частично отраженных волн на границах раздела. Но есть недостаток: из-за высокой отражательной способности зеркал VCSEL имеют меньшую выходную мощность по сравнению с лазерами с торцевым излучением.

Производство VCSEL имеет несколько преимуществ по сравнению с процессом производства лазеров краевого излучения. Краевые излучатели не могут быть проверены до окончания производственного процесса. Если краевой излучатель не работает из-за плохих контактов или плохого качества роста материала, время производства и материалы для обработки были потрачены впустую.

Кроме того, поскольку VCSEL излучают луч перпендикулярно активной области лазера, а не параллельно, как при краевом излучателе, десятки тысяч VCSEL могут обрабатываться одновременно на трехдюймовой пластине арсенида галлия. Более того, хотя процесс производства VCSEL более трудоемкий и материалоемкий, выход можно контролировать для достижения более предсказуемого результата. Однако они обычно показывают более низкий уровень выходной мощности.

Лазер поверхностного излучения с вертикальным внешним резонатором

Основная статья: Лазер поверхностного излучения с вертикальным внешним резонатором

Вертикальные лазеры поверхностного излучения с внешним резонатором, или VECSEL , аналогичны VCSEL. В VCSEL зеркала обычно выращиваются эпитаксиально как часть диодной структуры или выращиваются отдельно и прикрепляются непосредственно к полупроводнику, содержащему активную область. VECSEL отличаются конструкцией, в которой одно из двух зеркал является внешним по отношению к диодной структуре. В результате полость включает в себя область свободного пространства. Типичное расстояние от диода до внешнего зеркала составляет 1 см.

Одной из наиболее интересных особенностей любого VECSEL является малая толщина области усиления полупроводника в направлении распространения, менее 100 нм. Напротив, обычный плоский полупроводниковый лазер влечет за собой распространение света на расстояния от 250 мкм вверх до 2 мм или более. Значение короткого расстояния распространения состоит в том, что оно позволяет эффект антиведущих минимизировать нелинейностей в области усиления диодного лазера. В результате получается одномодовый оптический луч с большим поперечным сечением, который недостижим для диодных лазеров с плоским излучением («с излучением на грани»).

Несколько рабочих продемонстрировали VECSEL с оптической накачкой, и они продолжают разрабатываться для многих применений, включая источники высокой мощности для использования в промышленной обработке (резка, штамповка и т. д.) из-за их необычно высокой мощности и эффективности при накачке многомодовыми диодными лазерными стержнями. . Однако из-за отсутствия p – n-перехода VECSEL с оптической накачкой не считаются диодными лазерами и классифицируются как полупроводниковые лазеры.

Также были продемонстрированы VECSEL с электрической накачкой. Приложения VECSEL с электрической накачкой включают проекционные дисплеи, обслуживаемые за счет удвоения частоты излучателей VECSEL ближнего ИК-диапазона для получения синего и зеленого света.

Диодные лазеры с внешним резонатором

Диодные лазеры с внешним резонатором представляют собой перестраиваемые лазеры , в которых используются в основном диоды с двойной гетероструктурой типа Al _x Ga _(1-x) As. Первые диодные лазеры с внешним резонатором использовали внутрирезонаторный режим.эталоны и простая настройка решеток Литтроу. Другие конструкции включают решетки в конфигурации со скользящим падением и конфигурации с несколькими призмами.

Надежность

Лазерные диоды имеют те же проблемы с надежностью и отказами, что и светодиоды . Кроме того, они подвержены катастрофическим оптическим повреждениям (COD) при работе на более высокой мощности.

Многие достижения в области надежности диодных лазеров за последние 20 лет остаются собственностью их разработчиков. Обратное проектирование не всегда позволяет выявить различия между более надежными и менее надежными продуктами диодного лазера.

Полупроводниковые лазеры могут представлять собой лазеры поверхностного излучения, такие как VCSEL, или лазеры с торцевым излучением в плоскости. В лазерах с краевым излучением краевое фасетное зеркало часто формируется путем раскалывания полупроводниковой пластины с образованием зеркально отражающей плоскости. Этому подходу способствует слабость кристаллографической плоскости [110] в полупроводниковых кристаллах III-V (таких как GaAs , InP , GaSb и др.) по сравнению с другими плоскостями.

Атомные состояния в плоскости спайности изменяются по сравнению с их объемными свойствами внутри кристалла из-за прекращения идеально периодической решетки в этой плоскости. Поверхностные состояния в плоскости скола имеют энергетические уровни внутри (в противном случае запрещенной) запрещенной зоны полупроводника.

В результате, когда свет распространяется через плоскость спайности и переходит в свободное пространство изнутри полупроводникового кристалла, часть энергии света поглощается поверхностными состояниями, где она преобразуется в тепло посредством фонон - электронных взаимодействий. Это нагревает расколотое зеркало. Кроме того, зеркало может нагреваться просто потому, что край диодного лазера с электрической накачкой не находится в идеальном контакте с креплением, обеспечивающим путь для отвода тепла. Нагрев зеркала приводит к сокращению запрещенной зоны полупроводника в более теплых областях. Сокращение запрещенной зоны приводит к тому, что большее количество электронных переходов между зонами выравнивается с энергией фотонов, что приводит к еще большему поглощению. Это тепловой разгон , форма положительной обратной связи , результатом которой может стать плавление грани, известное как катастрофическое оптическое повреждение , или ХПК.

В 1970-х годах была выявлена ​​эта проблема, которая особенно неприятна для лазеров на основе GaAs с длиной волны от 0,630 до 1 мкм (в меньшей степени для лазеров на основе InP, используемых для дальней связи и излучающих с длиной волны от 1,3 до 2 мкм). . Майкл Эттенберг, исследователь, а затем вице-президент RCA Laboratories исследовательского центра Дэвида Сарноффа в Принстоне, штат Нью-Джерси , нашел решение. тонкий слой оксида алюминия На грань был нанесен . Если толщина оксида алюминия выбрана правильно, он действует как антибликовое покрытие , уменьшая отражение на поверхности. Это уменьшило нагрев и ХПК на грани.

С тех пор были использованы различные другие усовершенствования. Один из подходов состоит в том, чтобы создать так называемое непоглощающее зеркало (NAM), такое, что последние 10 мкм или около того перед тем, как свет испустится из сколотой грани, становятся непоглощающими на интересующей длине волны.

В самом начале 1990-х годов компания SDL, Inc. начала поставлять мощные диодные лазеры с хорошими характеристиками надежности. Генеральный директор Дональд Скифрес и технический директор Дэвид Уэлч представили новые данные о показателях надежности, например, на конференциях SPIE Photonics West того времени. Методы, используемые SDL для борьбы с COD, считались запатентованными и по состоянию на июнь 2006 года все еще не разглашались публично.

В середине 1990-х годов компания IBM Research (Рушликон, Швейцария ) объявила о разработке так называемого процесса E2 , который обеспечивает исключительную устойчивость к ХПК в лазерах на основе GaAs. По состоянию на июнь 2006 года этот процесс также не разглашался.

Надежность мощных диодных лазерных накачек (используемых для накачки твердотельных лазеров) остается сложной проблемой в различных приложениях, несмотря на эти запатентованные достижения. Действительно, физика отказа диодного лазера все еще разрабатывается, и исследования по этому вопросу продолжаются, хотя и являются запатентованными.

Продление срока службы лазерных диодов имеет решающее значение для их дальнейшей адаптации к широкому спектру применений.

Приложения

Лазерные диоды могут быть объединены для получения очень высокой выходной мощности, непрерывной или импульсной. Такие массивы могут использоваться для эффективной накачки твердотельных лазеров для сверления, сжигания или термоядерного синтеза с высокой средней мощностью.

Лазерные диоды являются наиболее распространенным типом лазеров: в 2004 году было продано около 733 миллионов единиц. по сравнению со 131 000 других типов лазеров.

Телекоммуникации, сканирование и спектрометрия

Лазерные диоды широко используются в телекоммуникациях как легкомодулируемые и легко подключаемые источники света для оптоволоконной связи. Они используются в различных измерительных приборах, например в дальномерах . Другое распространенное применение – считыватели штрих-кодов . Видимые лазеры, обычно красные , но позже и зеленые , часто используются в качестве лазерных указателей . Диоды как малой, так и высокой мощности широко используются в полиграфической промышленности как в качестве источников света для сканирования (ввода) изображений, так и для изготовления (выходных) печатных форм с очень высокой скоростью и высоким разрешением. Инфракрасные и красные лазерные диоды широко распространены в проигрывателях компакт-дисков , компакт-дисках и DVD- технологиях. Фиолетовые лазеры используются в технологиях HD DVD и Blu-ray . Диодные лазеры также нашли множество применений в лазерной абсорбционной спектрометрии (LAS) для высокоскоростной и недорогой оценки или мониторинга концентрации различных веществ в газовой фазе. Мощные лазерные диоды используются в промышленных целях, таких как термообработка, наплавка, шовная сварка, а также для накачки других лазеров, таких как Твердотельные лазеры с диодной накачкой .

Использование лазерных диодов можно разделить на различные категории. Большинство приложений могли бы быть реализованы с помощью более крупных твердотельных лазеров или оптических параметрических генераторов, но низкая стоимость диодных лазеров массового производства делает их незаменимыми для приложений массового рынка. Диодные лазеры можно использовать во многих областях; поскольку свет имеет множество различных свойств (мощность, длина волны, спектральное качество и качество луча, поляризация и т. д.), полезно классифицировать приложения по этим основным свойствам.

Во многих приложениях диодных лазеров в первую очередь используется свойство направленной энергии оптического луча. В эту категорию можно отнести лазерные принтеры , считыватели штрих-кодов, сканирование изображений , осветители, указатели, оптическую запись данных, зажигание горением , лазерную хирургию , промышленную сортировку, промышленную обработку, беспроводную передачу энергии (в виде энергетического излучения) и оружие направленной энергии. . Некоторые из этих приложений хорошо зарекомендовали себя, в то время как другие только появляются.

Медицинское использование

Лазерная медицина : медицина и особенно стоматология нашли много новых применений диодных лазеров. Уменьшение размера и стоимости Количество аппаратов и их растущее удобство для пользователя делают их очень привлекательными для врачей при проведении небольших процедур на мягких тканях. Длины волн диодов варьируются от 810 до 1100 нм , плохо поглощаются мягкими тканями и не используются для резки или абляции . Мягкие ткани не разрезаются лучом лазера, а разрезаются при контакте с горячим обугленным стеклянным наконечником. Лазерное излучение сильно поглощается на дистальном конце наконечника и нагревает его до 500–900 °C. Поскольку кончик очень горячий, его можно использовать для разрезания мягких тканей и вызвать гемостаз за счет прижигания и карбонизации . Диодные лазеры при использовании на мягких тканях могут вызвать обширное побочное термическое повреждение окружающих тканей.

Поскольку свет лазерного луча по своей природе когерентен , в некоторых приложениях используется когерентность лазерных диодов. К ним относятся интерферометрическое измерение расстояний, голография, когерентная связь и когерентный контроль химических реакций.

Лазерные диоды используются из-за их узких спектральных свойств в областях дальномера, телекоммуникаций, инфракрасного противодействия, спектроскопического зондирования , генерации радиочастотных или терагерцовых волн, подготовки состояния атомных часов, криптографии с квантовым ключом, удвоения и преобразования частоты. очистка воды (в УФ-излучении) и фотодинамическая терапия (когда определенная длина волны света приводит к тому, что такое вещество, как порфирин, становится химически активным в качестве противоракового агента только тогда, когда ткань освещается светом).

Лазерные диоды используются из-за их способности генерировать ультракороткие импульсы света с помощью метода, известного как синхронизация мод . Области использования включают распределение тактового сигнала для высокопроизводительных интегральных схем, источники высокой пиковой мощности для спектроскопии лазерного пробоя, генерацию сигналов произвольной формы для радиочастотных волн, фотонную выборку для аналого-цифрового преобразования и оптическое кодирование. системы множественного доступа с разделением для безопасной связи.

Безмасочная фотолитография

Лазерные диоды используются в качестве источника света для безмасковой фотолитографии .

Общие длины волн

Видимый свет

• 405 нм: InGaN сине-фиолетовый лазер Blu-ray и HD DVD. , в приводах
• 445–465 нм: синий лазерный многомодовый диод InGaN , недавно представленный (2010 г.) для использования в безртутных информационных проекторах высокой яркости.
• 488 нм: InGaN зелено-синий лазер ; стал широко доступен в середине 2018 года.
• 505 нм: InGaN голубовато-зеленый лазер ; также стал широко доступен в середине 2018 года.
• 510–525 нм: зеленые диоды InGaN , недавно (2010 г.), разработанные Nichia и OSRAM для лазерных проекторов.
• 635 нм: AlGaInP лучшие красные лазерные указки, та же мощность, субъективно в два раза ярче, чем 650 нм
• 650–660 нм: GaInP / AlGaInP CD и DVD приводы , дешевые красные лазерные указки.
• 670 нм: считыватели штрих-кода AlGaInP , первые диодно-лазерные указки (ныне устаревшие, заменены более яркими 650 нм и 671 нм DPSS)

Инфракрасный

• 760 нм: AlGaInP определение газа : O
  ₂
• 785 нм: GaAlAs компакт-дисков приводы
• 808 нм: GaAlAs накачки в лазерах DPSS Nd:YAG (например, в зеленых лазерных указках или в виде матриц в более мощных лазерах)
• 848 нм: лазерные мыши
• 980 нм: InGaAs- накачка для оптических усилителей , для Yb:YAG- лазеров DPSS.
• 1064 нм: AlGaAs волоконно-оптическая связь , DPSS частота лазерной накачки
• 1310 нм: InGaAsP , InGaAsN оптоволоконная связь
• 1480 нм: InGaAsP- накачка для оптических усилителей
• 1512 нм: InGaAsP Датчик газа : NH
  ₃
• 1550 нм: InGaAsP , InGaAsNSb оптоволоконная связь
• 1625 нм: InGaAsP , служебный канал оптоволоконная связь
• 1654 нм: InGaAsP Датчик газа : CH
  ₄
• 1877 нм: GaInAsSb определение газа : H
  ₂2О
• 2004 нм: GaInAsSb определение газа: CO
  ₂
• 2330 нм: GaInAsSb детектирование газа: CO
• 2680 нм: GaInAsSb измерение газа : CO
  ₂
• 3030 нм: GaInAsSb определение газа : C
  ₂2Ч
  ₂
• 3330 нм: GaInAsSb Датчик газа : CH
  ₄

См. также

• Коллимирующая линза
• Лазерная безопасность
• Список лазерных статей
• Суперлюминесцентный диод

Дальнейшее чтение

• Ван Зегбрук, Б.Дж. «Принципы полупроводниковых приборов» . (для прямой и непрямой запрещенной зоны)
• Салех, Восточная EA; Тейх, Малвин Карл (1991). Основы фотоники Уайли. ISBN  0-471-83965-5 . (Для стимулированного излучения)
• Кояма, Ф.; Киношита, С.; Ига, К. (1988). «Непрерывная работа GaAs-лазера с вертикальным резонатором при комнатной температуре» . Операции IEICE (1976–1990 годы) . 71 (11): 1089–90. (для ВКСЭЛС)
• Ига, Кеничи (2000). «Лазер поверхностного излучения — его рождение и генерация новой области оптоэлектроники». Журнал IEEE по избранным темам квантовой электроники . 6 (6): 1201–15. дои : 10.1109/2944.902168 . (для ВЕССЕЛ)
• Дуарте, Ф.Дж. (2016). «Широко перестраиваемые дисперсионные полупроводниковые лазеры с внешним резонатором» . Применение перестраиваемого лазера . ЦРК Пресс. стр. 203–241. ISBN  978-1-4822-6106-6 . (Для диодных лазеров с внешним резонатором)

Внешние ссылки

• Введение в лазерные диоды
• Обзор доступных одномодовых диодных лазеров
• Видео, показывающее процесс сборки лазерной планки
• Часто задаваемые вопросы по лазеру Сэма , Сэмюэл М. Голдвассер
• Управление диодными лазерами. Еврофотоника, 08/2004
• Бритни Спирс Путеводитель по физике полупроводников Лазеры краевого излучения
• Применение и технические примечания, поясняющие контроль тока и температуры лазерных диодов.
• Приложение, объясняющее, как спроектировать и протестировать драйвер лазера [1]