Tema de cercetare

Fiber Laser – DIODE LASER - PRINCIPII

Introducere

Diodele laser au devenit o componentă cheie în tehnologia fotonică modernă. Acest articol oferă o introducere generală în fizica și tehnologia diodelor laser. În primul rând, sunt explicate conceptele fizice din spatele diodelor laser. În cele ce urmează, este dat și analizat în detaliu un exemplu de laser AlGaAs. Ultima parte prezintă abordări tehnologice pentru a construi diode laser competitive. Prin urmare, accentul se pune pe diodele laser monomod. Luăm în considerare modalități de a introduce un ghid de undă în dioda laser și concepte pentru a face lungimea de undă a diodei laser selectivă. Pe scurt, aruncăm o privire asupra rețelelor de diode laser pentru utilizare în aplicații de mare putere și, în final, prezentăm VCSEL (lasere cu emisie de suprafață cu cavitate verticală).

Avantajele diodelor laser în comparație cu alte tipuri de lasere:

Următoarele caracteristici disting diodele laser de alte lasere:

-                      Compact. Sunt construite pe un singur cip care conține tot ceea ce este necesar pentru un laser. Acest lucru permite laserelor semiconductoare să fie introduse cu ușurință în alte instrumente.

-                      Eficiență ridicată de până la 50%. Acest lucru le permite să fie conduse de o putere electrică scăzută în comparație cu alte lasere.

-                      Excitare directă cu curenți electrici mici, astfel încât circuitele convenționale bazate pe tranzistori să poată alimenta laserul.

-                      Posibilitate de modulare directa cu curent aplicat.

-                      Talie grindă mică.

Costurile reduse datorate producției în masă și fiabilitatea ridicată le-au făcut o componentă cheie în diverse aplicații.

Cu toate acestea, au și unele dezavantaje: sunt foarte sensibili la temperatură.

Deși acest lucru permite reglarea lungimii de undă, este nedorit pentru majoritatea aplicațiilor.

O altă caracteristică importantă nedorită este fasciculul lor foarte divergent.

1.1 Structura benzii a unui laser semiconductor

Într-un cristal, nivelurile de energie discrete ale atomului individual se lărgesc în benzi de energie. Fiecare stare cuantică a atomului individual dă naștere unei anumite benzi de energie. Combinațiile de legare ale stărilor devin benzile de valență (VB) ale cristalului, iar combinațiile anti-legare ale acestor stări devin banda de conducere (CB). Diferența de energie dintre VB și CB se numește decalaj de energie. Dacă benzile de valență sunt parțial umplute, acest material este de tip p, dacă benzile conductoare sunt parțial umplute, acest material este de tip n. Aici nivelul Fermi este folosit pentru a eticheta condițiile de ocupare a electronilor în semiconductor, este nivelul de energie la care ocupă electronii. Nivelul Fermi (E FP ) pe tipul p este aproape de banda de valență și E FNpe tipul n este aproape de banda conductivă.

Când doi semiconductori cu structuri de bandă diferite sunt combinate, se formează o heterojuncție, o heterojoncție pn se numește diodă. Electronii și găurile se transferă pe cealaltă parte, din cauza diferitelor niveluri Fermi. Se recombină între ele, lăsând partea p cu sarcină negativă și partea n cu sarcină pozitivă, această regiune se numește strat de încărcare spațială (SCL). O tensiune încorporată V 0 apare din cauza transferului de sarcină și recombinării. Când nu există tensiune aplicată, nivelul Fermi este continuu pe dioda E FP = E FN, așa cum este indicat în Figura 1(a). Tensiunea încorporată împiedică electronii din banda de conducție pe partea n să se difuzeze în banda de conducție pe partea p, este similar pentru găurile din banda de valență, astfel încât purtătorii majoritari nu pot curge în stratul de încărcare spațială. O tensiune aplicată V poate separa E FP și E FN cu eV, iar nivelul Fermi nu este continuu pe diodă. Nivelul Fermi separat din fiecare parte se numește nivel cvasi Fermi, așa cum este indicat în Figura 1(b)

heterojuncția diodei laser înainte și după polarizarea curentului

Datorită tensiunii aplicate are loc procesul de recombinare și se stabilește curentul diodei. Când tensiunea aplicată este mai mare decât tensiunea încorporată, stratul de încărcare spațială nu mai este epuizat. Acum, la joncțiune, în banda conductivă sunt injectați mai mulți electroni la energii apropiate de E c decât electroni în banda de valență la energii apropiate de E v . Aceasta este inversiunea populației, iar regiunea de inversare așa cum este indicată în Figura 1(b) este numită regiune activă. În Figura 2, concentrația de purtător-x este prezentată în coordonate bidimensionale în stratul de încărcare spațială (SCL). 

concentrația de purtători sub polarizarea curentului

1.2 Recombinare

Există trei tipuri de tranziții care sunt importante în diodele laser, care apar între benzile de conducție și de valență ale materialului. Acestea sunt absorbția stimulată, emisia spontană și emisia stimulată în Figura 3

După definirea R (abs) , R (spon) , R (stim) ca viteză de absorbție, emisie spontană și respectiv emisie stimulată, relația dintre cele trei procese poate fi descrisă prin următoarea ecuație.

Iar ratele pot fi exprimate prin coeficienții Einstein care sunt definiți în felul următor:

·                     B (12) probabilitatea de tranziție a absorbției induse

·                     A (21) probabilitatea de tranziție a emisiei spontane

·                     B (21) probabilitatea de tranziție a emisiei induse

Aici cităm doar raportul dintre emisia spontană și emisia stimulată, detaliile deducerii pot fi citite pe site-ul web [3]

În emisia stimulată, un foton este puternic cuplat cu electronul, fotonul poate face ca electronul să se degradeze la un nivel de energie mai scăzut, eliberând un foton de aceeași energie. Fotonul emis are aceeași direcție și fază ca fotonul incident. Când emisia stimulată este dominantă, lumina este amplificată și apare laserul. Din această ecuație, putem observa că emisia stimulată este dominantă atunci când hw << k b T . Din legea statistică Fermi-Drac, în această condiție, probabilitatea de a găsi un electron în banda de conducere trebuie să fie mai mare decât probabilitatea de a găsi un electron în banda de valență, deci trebuie să existe o inversare a populației. După cum sa menționat anterior, într-o diodă laser, inversarea populației este realizată atunci când E FN - EFP > Eg , unde Eg este energia bandgap și E Fc și E Fv sunt nivelurile Fermi ale benzii de conducere și, respectiv, benzii de valență. Aceste niveluri Fermi pot fi separate doar prin pomparea energiei sub formă de curent electric în laserul semiconductor. Electronii și găurile sunt injectate în regiunea activă din straturile de placare semiconductoare dopate n și p. Curentul de injecție necesar pentru realizarea laserului este cunoscut sub denumirea de curent de prag, detaliile vor fi date în secțiunea 2.2.

1.3 Densitatea stării diodei laser

Când calculăm diferite proprietăți optice, cum ar fi rata de absorbție sau emisie și modul în care electronii și găurile se distribuie într-un solid, trebuie să cunoaștem densitatea stării. Densitatea stării este descrisă în numărul de stări disponibile pe unitate de volum pe unitate de energie. Deci, în banda conductivă și banda de valență, densitatea de stare a energiei este:

Conform legii statistice Fermi-Dirac, electronii din bandă se supun următoarelor ecuații:

deci în banda conductivă și în banda de valență, distribuțiile electronilor și găurilor sunt:

Ecuațiile de mai sus sunt citate în principal de pe site-ul web [3]

Figura 4 este graficul schematic al distribuțiilor descrise de funcțiile de mai sus. (a) este la 0K, iar sarcinile umplu mai întâi starea de energie cea mai scăzută. (b) este la o anumită temperatură peste 0, deci unele sarcini sunt excitate la stări de energie mai ridicată.

1.4 Direct Band Bap și Indirect Band Gap

Procesul de recombinare depinde în principal de structura benzii. În general, există două tipuri de structură de bandă, bandă interzisă directă și bandă interzisă indirectă. Gap direct de bandă înseamnă că în diagrama Ek, electronii de la minimul benzii de conducție au același impuls ca electronii de la maximul benzii de valență, iar pentru o bandă interzisă indirectă, electronii nu au același impuls, așa cum este indicat. în Figura 5. Recombinarea unui electron în apropierea fundului benzii de conducere cu o gaură în apropierea vârfului benzii de valență necesită schimbul de energie și impuls. Pentru recombinarea indirectă a benzii interzise, ​​energia poate fi transportată de un foton, dar sunt necesari unul sau mai mulți fononi pentru a conserva impulsul.[6]

Majoritatea semiconductorilor sunt materiale cu bandă interzisă indirectă, în comparație cu acestea, materialele cu bandă interzisă directe sunt preferate pentru diodele laser. Structurile directe bandgap maximizează tendința electronilor și a găurilor de a se recombina prin emisie stimulată, crescând astfel eficiența laserului. De exemplu, arseniura de galiu de aluminiu cu bandă interzisă directă (AlGaAs) este adesea folosită pentru diodele laser cu lungimi de undă între 750 nm și 880 nm. Al x Ga 1-x As , prin schimbarea lui x , raportul dintre aluminiu și galiu poate fi ajustat pentru a varia banda interzisă și astfel controla lungimea de undă.

1.5 Mecanism optic de feedback

Într-un laser de înaltă eficiență, trebuie să se formeze un rezonator care să aibă capacitatea nu numai de a amplifica unda electromagnetică, ci și de a-i reacționa. Un rezonator laser constă în general din două oglinzi paralele perpendiculare pe axa optică. Spațiul dintre oglinzi este parțial ocupat de materialul de amplificare. Această structură, numită Rezonator Fabry-Perot, este obținută într-o diodă laser prin scindarea capetelor cristalului. Deoarece indicele de refracție are un salt la interfața cristalului și a altui material, fața oglinzii funcționează ca o suprafață reflectorizante. În unele cazuri, acoperiri speciale sunt utilizate pentru a îmbunătăți fie reflectivitatea r, fie transmisivitatea t, a fațetei. Când rezonatorul este adus într-o stare de inversare a populației, fotonii produși prin emisie spontană sunt amplificați și reflectați în mod repetat de fațetele din față și din spate. În homouncția LD, nu există o limitare optică în direcția perpendiculară pe axa optică, astfel încât undele electromagetice în orice direcție care nu este paralelă cu axa optică a rezonatorului vor trece prin părțile laterale ale rezonatorului. În heterostructura LD, ghidul de undă va confirma valul în regiunea activă (vezi secțiunea 2). Componenta fotonilor emiși spontan, care se deplasează paralel cu axa optică, va fi reflectată în mod repetat de fațetele oglinzii. Pe măsură ce unda electromagetică se deplasează prin materialul semiconductor, aceasta este amplificată prin emisie stimulată. La fiecare reflexie, unda este transmisă parțial prin fațetele reflectorizante. Oscilația laserului începe atunci când cantitatea de amplificare devine egală cu cantitatea totală pierdută prin părțile laterale ale rezonatorului, prin fațetele oglinzii și prin absorbția de către cristal. Detaliile lui Fabry-Perot pot fi găsite în „Diode laser Protokoll, partea teoretică”

Principiile diodelor laser AlGaAs

În heterostructura dublă, emisia stimulată are loc numai într-un strat activ subțire de GaAs , care este cuprins între straturi de AlGaAs dopate p și n care au o bandă interzisă mai largă. Diodele laser folosesc heterojoncțiuni pentru a realiza confinarea simultană a purtătorului și a fotonului în regiunea activă. O eficiență ridicată a laserului necesită ca purtătorii de lumină și încărcătura injectată să fie limitate cât mai aproape de același volum.

2.1 Heterostructura unei diode laser

Așa cum este ilustrat în Figura 7, dioda laser AlGaAs constă dintr-o heterojoncție dublă formată dintr-o regiune activă nedopată (sau ușor p-dopată) înconjurată de straturi de acoperire cu bandgap mai mare p și n Al x Ga 1-x As . Straturile de acoperire din jur asigură o barieră energetică pentru a limita purtătorii în regiunea activă. Lungimile de undă efective de operare pot varia de la 750 - 880 nm datorită efectelor dopanților, mărimii regiunii active și compozițiilor straturilor active și de acoperire. Când un anumit parametru este fixat, lungimea de undă poate varia în câțiva nanometri datorită altor variabile. De exemplu, atunci când stratul activ are un decalaj de energie E g = 1,424 eV, lungimea de undă nominală de emisie esteλ = hc/E g = 871 nm. Când se aplică o tensiune de polarizare în direcția înainte, electronii și găurile sunt injectate în stratul activ. Deoarece energia benzii interzise este mai mare în straturile de placare decât în ​​stratul activ, electronii și găurile injectate sunt împiedicați să se difuzeze peste joncțiune de barierele de potențial formate între stratul activ și straturile de placare (Figura 7). Electronii și găurile limitate la stratul activ creează o stare de inversare a populației, permițând amplificarea luminii prin emisie stimulată.

Straturile de placare îndeplinesc două funcții. Mai întâi, injectați purtători de încărcare. În al doilea rând, izolare ușoară. Deoarece regiunea activă are un bandgap mai mic decât straturile de placare, indicele său de refracție va fi puțin mai mare decât cel al straturilor din jur. Indicele de refracție GaAs la aceste lungimi de undă este n = 3,5, în timp ce indicele de refracție al straturilor de placare Al x Ga 1-x As este puțin mai mic. Figura 8 indică distribuția câmpului electromagnetic datorită heterostructurii.

Pentru limitarea în direcția orizontală (laterală), în structurile laser reale, se utilizează întotdeauna ghidarea indicelui sau a câștigului, așa cum este menționat în secțiunea 3.1.

Caracteristicile unui ghid de undă cu trei straturi sunt descrise în mod convenabil în termeni de grosime normalizată a ghidului de undă D, definită ca

unde n a și n c sunt indicii de refracție ai stratului activ și respectiv de placare și d este grosimea stratului activ.

Factorul de confinare Γ, definit ca fracțiunea energiei electromagnetice a modului ghidat care există în stratul activ, este un parametru important care reprezintă întinderea stratului activ. Γ pentru un mod fundamental este dat aproximativ de [1]

2.2 Curent de prag

Când se acumulează un număr suficient de electroni și găuri pentru a forma o populație inversată, regiunea activă prezintă un câștig optic și poate amplifica undele electromagnetice care trec prin ea, deoarece emisia stimulată depășește absorbția interbandă. Unda face o călătorie completă dus-întors în cavitate fără atenuare, ceea ce înseamnă că câștigul optic ar trebui să egaleze pierderile atât în ​​interiorul cavității, cât și prin fațetele de capăt parțial reflectante. Astfel, coeficientul de câștig la pragul g th este dat de relația

coeficientul de amplificare al diodei laser la punctul curent de prag

Aici, α a și α c denotă pierderile în stratul activ și respectiv de placare, datorită absorbției purtătorului liber. α s reprezintă pierderea prin împrăștiere din cauza imperfecțiunilor heterointerfaciale dintre stratul activ și stratul de placare. Primii trei termeni de pierdere din partea dreaptă combinați sunt denumiți pierderi interne α i și se adună până la 10 până la 20 cm -1 . Pierderea de reflexie 1/ L ln 1/ R ≈ 40 cm -1 pentru L ≈ 300mum, R = 0,3) datorată cuplajului de ieșire este în mod normal cea mai mare dintre termenii de pierdere.

Există o relație liniară fenomenologică între câștigul maxim g și densitatea purtătorului injectată n , presupunând și n t sunt constante la o bună aproximare.

câștig cu densitatea de curent injectată

Aici, se numește câștig diferențial, iar n t denotă densitatea purtătoarei necesară pentru a obține transparența în cazul în care bilanțele de emisie stimulate față de absorbția interbandă corespunzătoare începutului inversării populației. Luând lasere GaAs ca exemplu, ≈ 3,5 x 10 -6 cm 2 și n t ≈ 1,5 x 10 18 cm -3 și amintiți-vă Γ=0,27, α=10cm -1 și L -1 ln R -1 = 40cm -1 , obținem o densitate de purtător de prag n ≈ 2 x 10 18 cm -3. Densitatea de curent de prag Jth este exprimată ca

unde Ts este durata de viață a purtătorului datorată emisiei spontane. Presupunând că Ts =3ns și d=0,1 µm , obținem o densitate de curent de prag J th ≈ 1K Acm -2

2.3 Moduri de oscilație

La diodele laser, lungimea determină modurile longitudinale în care lățimea și înălțimea cavității determină modurile transversale sau laterale.

Mod longitudinal: Modurile longitudinale, sau rezonanțe optice ale Fabry-Perot formate de oglinzile de capăt cu fațete clivate, sunt determinate de lungimea L a rezonatorului și de indicele de refracție n al semiconductorului . Pentru unda electromagnetică cu lungimea de undă λ , semilungimea de undă în mediu este λ/2n , iar pentru o undă staționară, qλ/2n = L , q este multiplu integral. Variația întregului q cu 1 determină o variație a lungimii de undă, Δ λde 0,35 nm, iar rezonatorul laser poate suporta simultan mai multe unde stationare, sau moduri longitudinale, cu lungimi de undă ușor diferite. Într-o diodă laser, oscilația apare la lungimea de undă corespunzătoare energiei band gap a semiconductorului, intensitatea scade pe măsură ce lungimea de undă se îndepărtează mult de lungimea de undă centrală, așa cum este indicat în Figura 9. Deoarece energia band gap variază în funcție de temperatură, lungimea de unda cu intensitate maxima variaza si cu temperatura. De exemplu, la dioda laser AlGaAs , lungimea de undă crește cu aproximativ 0,23 nm pentru o creștere a temperaturii de 1 grad. Intervalul spectral liber f fsr este definit ca

Separarea vârfurilor este definită ca

Figura 9 este un exemplu cu lungimea de undă centrală λ = 817,5 nm și separarea vârfului Δ λ = 0,45 nm, domeniul spectral liber f fsr = c Δλ/λ 2 = 200 GHz 

Moduri transversale: Modul transversal reprezintă starea undei electromagnetice staționare în direcția perpendiculară pe axa optică a rezonatorului laser. Modul transversal are două componente, una paralelă și cealaltă perpendiculară pe stratul activ al laserului. După cum sa menționat mai sus, există etape în indicele de refracție pe fiecare parte a stratului activ, care servesc la limitarea luminii la stratul activ. Raza laser afișează un câmp divergent din cauza difracției de la capetele cavității. Fig. 10 prezintă construcția unei diode laser tipice ghidate de index cu straturi de placare, electrozi și regiune activă GaAs . Oglinzile cu cavitatea laser sunt fațetele de capăt ale cristalului semiconductor, care a fost despicat.

Dimensiunile cristalului determină modelul fasciculului emis (modelul în mod transversal) și, de asemenea, frecvențele posibile de emisie laser (modelul mod longitudinal). Modelul de ieșire este dominat de difracție deoarece lățimea W ≈ 10 µm și înălțimea H ≈ 2 µm ale LD-urilor tipice sunt comparabile cu lungimea de undă de emisie. Unghiul de divergență al emisiei de-a lungul acestor două direcții este invers proporțional cu dimensiunile, așa cum se arată în Fig. 11. 

Lățimea unghiulară ϑ a modelului de emisie dintr-o fantă sau deschidere dreptunghiulară de lățime d este

unghiul de divergență al unei diode laser

De exemplu, o lungime de undă laser de 850 nm și lățimea benzii W = 10 µm are un unghi de divergență ϑ w ≈ 10 grade, ϑ H ≈ 45 grade așa cum se arată în Fig. 11. Dimensiunile W și H ale regiunii active a unui laser dioda poate fi determinată prin măsurarea unghiurilor conurilor de emisie de ieșire. Cu cât deschiderea este mai mică, cu atât difracția este mai mare, cu un W și H suficient de mici , numai cel mai mic mod transversal TEM 00 iese.

3.1 Lasere reale

În procedurile ulterioare, vom arunca o privire mai atentă asupra diferitelor tehnici de construire a unei diode laser. Prin urmare, accentul se pune pe diodele laser monomod. Undele cu un singur mod sunt preferate în majoritatea cazurilor. Domeniul laserelor multimodale sunt laserele de mare putere, unde operarea într-un singur mod nu are importanță.

Majoritatea laserelor moderne cu semiconductor adoptă o structură, în care curentul este injectat doar într-o regiune îngustă sub un contact cu bandă de câțiva μm lățime, pentru a menține curentul de prag scăzut și pentru a controla distribuția câmpului optic în direcția laterală. În comparație cu laserele cu suprafață largă, în care întregul cip laser este excitat, curentul de prag al laserelor cu geometrie bandă este redus aproximativ proporțional cu aria de contact.

Diferem în principal între două tipuri diferite de structuri. În cazul în care injecția de curent este limitată la o regiune mică de-a lungul planului de joncțiune, acestea sunt denumite ghidate de câștig . Dispozitivele care încorporează o variație încorporată a indicelui de refracție în direcția laterală sunt denumite lasere ghidate de index.

3.1.1 Lasere ghidate de câștig

Cu aceste lasere, injecția curentă este limitată la o regiune îngustă sub o dungă. Regiunea activă este plană și continuă. Cu toate acestea, laserizarea are loc numai într-o regiune limitată a stratului activ de sub contactul benzii unde curge o densitate mare a curentului. Această limitare orizontală a undei em care se propagă prin regiunea activă este astfel realizată prin variația mică a indicelui de refracție produsă de inversiunea populației generată curent. Dacă unda em se extinde în plan orizontal în afara dimensiunilor orizontale ale benzii, va fi absorbită de regiunea neexcitată a stratului activ. În direcțiile verticale, indicii de refracție inferiori ai straturilor înconjurătoare reflectă undea em înapoi în regiunea activă.

Actuala restricție servește mai multor scopuri:

·                     permite funcționarea CW cu curenți rezonabili de prag scăzut (10-100 mA)

·                     poate permite funcționarea în mod fundamental de-a lungul planului de joncțiune, ceea ce este necesar pentru aplicațiile în care unda em este cuplată într-o fibră optică cu un singur mod

·                     cerințele pentru absorbția căldurii sunt scăzute

Astfel de lasere sunt determinate lasere ghidate de câștig , deoarece distribuția intensității optice în direcția laterală este determinată de profilul câștigului produs de distribuția densității purtătorului.

3.1.2 Lasere ghidate de index

Controlul modului transversal în diodele laser poate fi realizat folosind ghidarea indexului de-a lungul planului de joncțiune. Controlul modului este necesar pentru îmbunătățirea liniarității curentului undei em și a răspunsului de modulație al laserelor. Regiunea activă este astfel înconjurată de materiale cu indici de refracție mai mici atât în ​​direcția verticală (y) cât și în direcția laterală (x) transversală – regiunea activă este îngropată în straturi inferioare cu indici de refracție (de exemplu InP) pe toate părțile. Din acest motiv, aceste lasere sunt numite lasere cu heterostructură îngropată

Treapta indexului lateral de-a lungul planului de joncțiune este cu aproximativ două mărimi mai mare decât efectele induse de purtător. Ca rezultat, caracteristicile laserelor cu heterostructură îngropată sunt determinate în primul rând de ghidul de undă dreptunghiular care limitează modul în interiorul regiunii îngropate. Dimensiunile transversale ale regiunii active și discontinuitățile indicelui sunt alese astfel încât numai modurile transversale de ordinul cel mai mic să se poată propaga în ghidul de undă. [9, 11]

Aceste dispozitive ghidate de index produc fascicule cu o calitate a fasciculului mult mai mare, dar, conform [10], sunt de obicei limitate ca putere la doar câteva sute de miliwați. O altă caracteristică importantă a acestui laser este limitarea purtătorilor injectați în regiunea activă. [9]

Lasere cu heterostructură îngropată: Figura 15 prezintă secțiuni transversale schematice ale diferitelor tipuri de lasere cu heterostructură îngropată. Acestea sunt (i) heterostructura îngropată care se mai numește și etched-mesa buried-heterostructure (EMBH) pentru a o distinge de alte lasere BH. Și (ii) laserul cu heterostructură îngropată plană cu două canale (DCPHB). 

Fabricarea structurii EMBH este complexă din punct de vedere tehnologic și sunt necesare două etape epitaxiale. Mai puțin critic este laserul DCPHB, deși acest lucru necesită și doi pași epitaxiali. Există și alte structuri care sunt mai ușor de fabricat, dar acestea nu sunt discutate aici.

3.1.3 Câștig vs. Structuri ghidate de index

Din punct de vedere istoric, dispozitivele ghidate de câștig bazate pe geometria benzii au fost dezvoltate mai întâi având în vedere ușurința lor de fabricare. Cu toate acestea, laserele ghidate de câștig prezintă curenți de prag mai mari decât laserele ghidate de index și au alte caracteristici nedorite care se înrăutățesc pe măsură ce lungimea de undă laser crește. [11]

În schimb, fabricarea laserelor puternic ghidate de index necesită fie o singură creștere epitaxială pe suprafețe neplane, fie două creșteri epitaxiale și, în plus, o atenție deosebită procesării. În ciuda acestor dificultăți în fabricare, caracteristicile lor superioare de performanță - curent de prag scăzut, funcționare în mod fundamental stabil și caracteristici bune de modulare de mare viteză - îi fac un candidat principal pentru aplicații de înaltă performanță.

3.2 Lasere DBR și DFB

O diodă standard Fabry Perot Laser nu este selectivă pentru lungimea de undă. Deci întrebarea este cum poate fi realizată selecția lungimii de undă? Scăderea în continuare a dimensiunii cavităților optice creează dificultăți, deoarece devine foarte dificil să se producă cipuri din ce în ce mai mici. Prin urmare, o altă metodă este introducerea unui mecanism de feedback optic în dispozitiv pentru a elimina alte frecvențe și a selecta o singură frecvență. Rețelele periodice încorporate în ghidul de undă al laserului pot fi utilizate ca mijloc de feedback optic. Dispozitivele care încorporează rețeaua în regiunea pompată sunt denumite lasere DFB cu feedback distribuit » , în timp ce cele care încorporează rețeaua în regiunea pasivă sunt denumite lasere Distributed Bragg Reflector (DBR).

Laserele DFB și DBR oscilează într-un mod longitudinal unic chiar și sub modulație de mare viteză, spre deosebire de laserele Fabry-Perot, care prezintă oscilații în moduri longitudinale multiple atunci când sunt pulsate rapid.

3.2.1 Reflector Bragg distribuit / Lasere DBR

Oglinzi DBR: Grilajele sau reflectoarele Bragg distribuite (DBR) sunt folosite pentru una sau ambele oglinzi cu cavitate. Prin urmare, grătarul constă din ondulații cu o structură periodică. Ele sunt utilizate datorită selectivității în frecvență a unui singur mod axial. Perioada de rețea este aleasă ca jumătate din lungimea de undă optică medie, ceea ce duce la o interferență constructivă între fasciculele reflectate. Reflecțiile semnificative pot apărea și în frecvențele armonice ale mediului. Ondulările sunt de obicei gravate pe suprafața ghidajului de undă și acestea sunt reumplute cu un material indice diferit în timpul unei a doua creșteri. [4]Acest lucru este ilustrat în figura 17. Conceptul general al rețelei este că reflexiile multiple se vor adăuga la o reflexie netă mare. Reflecțiile la frecvența Bragg se adună pentru a fi exact în fază.

Lasere DBR: Un laser DBR poate fi format prin înlocuirea uneia sau a ambelor oglinzi laser discrete cu un reflector pasiv. Figura 18 prezintă o schemă a unui astfel de laser cu o oglindă cu rețea. Pe lângă proprietatea de frecvență unică oferită de oglinzile cu rețea selectivă de frecvență, acest laser poate include o tunabilitate largă. Deoarece indicele de refracție depinde de densitatea purtătorului, acesta poate fi exploatat pentru a varia electrooptic indicele de refracție pe secțiuni prin electrozi separați.

Potențiala reglare a laserelor DBR este unul dintre principalele motive pentru care acestea sunt de mare importanță. După cum este indicat în Figura 18, există de obicei trei secțiuni, una activă, una pasivă și grilajul pasiv. Primul oferă câștigul, al doilea permite controlul independent al fazei în mod, iar rețeaua este un filtru selectiv de mod. Prin aplicarea unui curent sau a unei tensiuni indicele de refracție se modifică, deplasând modurile axiale ale cavității. 

3.2.2 Laser de feedback distribuit ~ Lasere DFB

Ce este un laser DFB? 

Un laser cu feedback distribuit (DFB) folosește și oglinzi de rețea, dar rețeaua este inclusă în regiunea de câștig. Reflecțiile de la capete sunt suprimate prin acoperiri antireflex. Astfel, este posibil să se realizeze un laser dintr-o singură rețea, deși este de dorit să existe cel puțin o fracțiune a unei deplasări a lungimii de undă în apropierea centrului pentru a facilita laserizarea la frecvența Bragg. Ideea din spatele acestui concept este, pe lângă selectivitatea lungimii de undă, de a îmbunătăți calitatea laserului, deoarece lungimea activă este de un sfert de lungime de undă. Acest lucru se aplică pentru nicio schimbare a grătarelor, unde cavitatea poate fi considerată oriunde în DFB, deoarece toate perioadele arată la fel.

Pentru rețeaua DFB standard, putem vedea că laserul este antirezonant la frecvența Bragg. Modurile acestui laser sunt plasate simetric în jurul frecvenței Bragg. Cu toate acestea, doar modurile cu cele mai mici pierderi vor pierde. Cu un profil de câștig simetric în jurul frecvenței Bragg, aceasta înseamnă că două moduri sunt rezonante. Pentru a suprima un mod, trebuie să aplicăm reflecții suplimentare de perturbare, cum ar fi cele de la clivaj neacoperiți la sfârșit. O metodă alternativă este introducerea unui element suplimentar de un sfert de lungime de undă în rețea. Acest grătar deplasat sfert de undă este prezentat în figura 19. Acesta este însă mai dificil de fabricat.

3.2.3 Lasere DFB vs. DBR

Laserele DFB sunt mai ușor de fabricat și prezintă mai puține pierderi și, prin urmare, au un curent de prag mai mic. DBR este reglabil pe scară largă, dar relativ complex, deoarece trebuie creată multă structură de-a lungul suprafeței plachetei. din acest motiv, laserele DBR se formează numai atunci când sunt necesare proprietățile lor. Cu toate acestea, ambele lasere funcționează în modul unic

3.3 Rețele de diode laser de mare putere

Structurile laser semiconductoare descrise până acum au fost dezvoltate pentru aplicații de putere redusă, cum ar fi furnizarea unei surse în sistemul de comunicație cu unde em. Limitarea lor în puterea de ieșire apare în principal din curentul de scurgere, care crește odată cu creșterea curentului aplicat. 

Dezavantajele majore ale laserelor semiconductoare, puterile de ieșire relativ scăzute și divergența fasciculului înalt pot fi reduse prin integrarea mai multor benzi laser într-o matrice, așa cum se arată în Figura 20. Dungile sunt distanțate strâns, astfel încât radiația de la dungile învecinate să fie cuplată la formează un mod coerent al întregii matrice pentru a produce diode laser de mare putere . Aceste diode laser funcționează în multimod, spre deosebire de cele descrise până acum.

Structurile laser semiconductoare descrise până acum au fost dezvoltate pentru aplicații de putere redusă, cum ar fi furnizarea unei surse în sistemul de comunicație cu unde em. Limitarea lor în puterea de ieșire apare în principal din curentul de scurgere, care crește odată cu creșterea curentului aplicat. 

Dezavantajele majore ale laserelor semiconductoare, puterile de ieșire relativ scăzute și divergența fasciculului înalt pot fi reduse prin integrarea mai multor benzi laser într-o matrice, așa cum se arată în Figura 20. Dungile sunt distanțate strâns, astfel încât radiația de la dungile învecinate să fie cuplată la formează un mod coerent al întregii matrice pentru a produce diode laser de mare putere . Aceste diode laser funcționează în multimod, spre deosebire de cele descrise până acum.

Modurile de matrice, deseori denumite supermoduri, sunt combinații blocate de fază ale modurilor de bandă individuale și caracterizate prin relația de fază dintre câmpurile optice susținute de dungi adiacente.

Rețelele laser pot fi găsite în aplicații în care sunt solicitate puteri mari ale fasciculului și densități mari ale fasciculului. Prin urmare, se sugerează pentru pomparea laserelor cu stare solidă, deoarece intervalul de lungimi de undă de la 700 la 900 nm poate fi acoperit cu materiale semiconductoare adecvate. 

Matricele unidimensionale sunt denumite și bare laser. Prin stivuirea acestor bare se pot construi matrice bidimensionale. Cu astfel de dispozitive au fost deja atinse puteri de până la câțiva kW

3.4 Lasere cu emisie de suprafață cu cavitate verticală VCSEL

Un laser cu emisie de suprafață cu cavitate verticală (VCSEL) este o diodă laser specializată, cu eficiență îmbunătățită și viteză crescută a datelor. Diodele laser mai vechi, numite diode emițătoare de margini, emit unde em coerente paralele cu granițele dintre straturile semiconductoare. VCSEL își emite undele em coerente perpendiculare pe granițele dintre straturi.

VCSEL are mai multe avantaje față de diodele emițătoare de margini. VCSEL este mai ieftin de fabricat în cantitate, este mai ușor de testat și este mai eficient. În plus, VCSEL necesită mai puțin curent electric pentru a produce o ieșire de energie coerentă dată. VCSEL emite un fascicul îngust, mai aproape circular decât emițătoarele tradiționale de margine. Și datorită lungimii sale scurte a cavității emite un singur mod.

Există multe modele ale structurii VCSEL, totuși, toate au anumite aspecte în comun. Lungimea cavității VCSEL-urilor este foarte scurtă, de obicei, 1-3 lungimi de undă ale undei em emise. Ca rezultat, într-o singură trecere a cavității, un foton are o șansă mică de a declanșa un eveniment de emisie stimulată la densități scăzute de purtător. Prin urmare, VCSEL necesită oglinzi foarte reflectorizante pentru a fi eficiente. La laserele care emit muchii, reflectivitatea fațetelor este de aproximativ 30%. Pentru VCSEL, reflectivitatea necesară pentru curenții de prag scăzut este mai mare de 99,9%. O reflectivitate atât de mare nu poate fi obținută prin utilizarea oglinzilor metalice. VCSEL-urile folosesc reflectoare Bragg distribuite. (DBR-uri) așa cum este descris la pagina 17. Acestea sunt formate prin așezarea unor straturi alternative de materiale semiconductoare sau dielectrice cu o diferență de indice de refracție. Materialele semiconductoare utilizate pentru DBR au o mică diferență în indicele de refracție, prin urmare sunt necesare multe perioade. Deoarece straturile DBR transportă și curentul în dispozitiv, mai multe straturi cresc rezistența dispozitivului, prin urmare disiparea căldurii poate deveni o problemă.

Pe lângă reducerea dimensiunilor cavității se poate reduce curentul de prag al unui dispozitiv VCSEL prin limitarea ariei secțiunii transversale în care apare câștigul. Există o serie de tipuri diferite de lasere, care diferă în general prin modul în care se realizează oglinzile de înaltă reflexie și limitarea curentului.

O metodă simplă este să gravați un stâlp până la stratul activ. Acestea sunt denumite structură gravată mesa 2 . Mesajele gravate au, de obicei, un diametru de câțiva micrometri, ceea ce permite fabricarea unui număr mare de lasere pe un singur substrat. Diferența mare de indice de refracție dintre aer și materialul dispozitivului acționează, de asemenea, pentru a ghida undea em emisă. Cu toate acestea, pentru utilizare practică este necesară o schemă de lipire adecvată. O poliamidă poate fi utilizată pentru umplerea regiunii din jurul meselor gravate, pentru a permite o schemă practică de lipire. O altă problemă cu acest tip de structură este pierderea purtătorilor din cauza recombinării suprafeței la pereții laterali și a slabei disipări a căldurii din cavitatea laserului.

O altă tehnică de izolare curentă este implantarea ionică. Prin implantarea selectivă a ionilor într-un semiconductor, se produce o regiune de rezistivitate ridicată în jurul unei deschideri cu diametrul de 10 µm . Această schemă reduce răspândirea curentului, producând o regiune cu câștig mare în centrul deschiderii unde are loc acțiunea laserului.

Deoarece substratul este absorbant în aceste cazuri, undele em sunt emise de sus. De asemenea, poate fi emis din partea de jos prin utilizarea unei structuri în care substratul din apropierea regiunii emitente a fost gravat.

Descrieri laseri dupa materialele folosite

Abrevieri:

Acest tabel oferă o listă a abrevierilor utilizate frecvent în subiectul diodelor laser:

Bibliografie

·                     1] Nagaatsu Ogasawara. Lasere, semiconductoare. Raport tehnic, Nagaatsu Ogasawara University of Electro-Communications, www.pro-physik.de/Phy/pdfs/OE042_1.pdf.

·                     [2] SOKasap. Optoelectronica. Prentice Hall, 1 ediție, 1999.

·                     [3] Carl Hepburn. Ghidul lui Britney pentru fizica semiconductorilor. http://www.britneyspears.ac/lasers.htm.

·                     [4] Scott W. Corzine Larry A. Coldren. Lasere cu diode și circuite integrate fotonice. John Wiley & Sons, ediția a 3-a, 1995.

·                     [5] Mark Fox. Proprietăți optice ale solidelor. Oxford University Press, 2001.

·                     [6] MC Teich BEA Saleh. Fundamentele Fotonicii. Wiley, New York, 1 ediție, 1991.

·                     [7] Shane Eaton. Laser semiconductor cu feedback distribuit.

·                     [8] DEPARTAMENTUL DE FIZICĂ și FIZICĂ APLICATĂ. laborator an 3/4.

·                     [9] Ammon Yariv. Electronică cuancă. John Wiley & Sons, ediția a treia, 1989.

·                     [10] Richard Scheps. Lasere cu stare solidă pompate cu diodă laser. SPIE Press, 2002.

·                     [11] Niloy K. Dutta Govind P. Agrawal. Lasere cu semiconductor. Van Nostrad Reinhold, ediția a 2-a, 1993.

·                     [12] KJ Ebeling. Integrierte Optoelektronik. Springer Verlag, 1989.

·                     [13] Dirk Jansen. Optoelektronik. Vieweg Verlag, 1993.

·                     [14] Universitatea din Stuttgart. http://www.physik.uni-stuttgart.de/ExPhys/4. Phys.Inst./Forschung/VCSEL/vcsel.html.

·                     [15] http://whatis.techtarget.com/. laser emițător de suprafață cu cavitate verticală.