Гетеролазер. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Гетеролазер - полупроводниковый лазер на основе гетероструктур. Наиб. распространены инжекционные Г., в к-рых активной средой является узкозонный слой гетероструктуры. Это полупроводник (гл. обр. A^IIIB^V) с высоким квантовым выходом излучат. рекомбинации. Спектральный диапазон излучения Г. определяется

узкозонного полупроводника.

В инжекционных лазерах с р-n-переходом в прозрачном полупроводнике световое поле генерации проникает далеко за пределы активного слоя в области с высоким для него коэф. поглощения. Толщина активного слоя меньше области рекомбинации неравновесных ин-жектир. носителей заряда (рис. 1, а). Это определяет большие потери энергии, высокую пороговую плотность тока и низкий кпд при темп-pax T

300К. В Г. вследствие оптического и электронного ограничений можно управлять областью локализации светового поля и неравновесной электронно-дырочной плазмы. В Г. с односторонней гетероструктурой (ОГС-лазер, рис. 1, б) на расстоянии d от инжектирующего р-n-перехода создаётся потенц. барьер за счёт гетероперехода с более широкозонным полупроводником. Если скорость рекомбинации на гетерогранице мала (что обычно имеет место при совпадении параметров кристаллич. решёток полупроводников), то носители отражаются от барьера и увеличивают при том же токе ср. концентрацию неосновных носителей в области усиления. Тем самым инверсная населённость в активном слое, возникающая при определ. концентрации инжектир. носителей, достигается при меньшем значении плотности тока. Скачок показателя преломления на границе одновременно приводит к уменьшению проникновения светового поля в поглощающую р-область. Уменьшение рекомбинац. и оптич. потерь снижает ток, необходимый для возбуждения генерации.

Рис. 1. Зонные диаграммы полупроводниковой структуры (1), концентрация электронов п и дырок р(2), амплитуда светового поля

и коэф. усиления g (3): а - в лазере с р - n-переходом; б - в гетеролазере с 1 гетеропереходом (с односторонним ограничением); в - в гетеролазере с двойной гетероструктурой (с двусторонним ограничением).

Наилучшими параметрами обладает Г. на основе трёхслойной (двойной) гетероструктуры (ДГС) с активным слоем из узкозонного полупроводника, заключённым между 2 широкозонными (ДГС-лазеры, рис. 1, в). Двустороннее оптическое и электронное ограничение приводит к совпадению области инверсной населённости и светового поля, что позволяет получить генерацию при малом токе накачки. Использование для инжекции носителей гетероперехода позволяет осуществить сверхинжекцию для достижения достаточно большой инверсии населённости в активном слое.

Неравновесные носители можно локализовать в значительно меньшей области, чем световое поле. Так, в ДГС-лазерах толщину d узкозонного активного слоя удаётся довести до размеров длины волны де Бройля электрона с кинетич. энергией, близкой к высоте потенц. барьера на границах (d~6-8 нм). Ширина активного слоя такого Г. порядка длины волны генерируемого излучения и контролируется независимо изменением показателя преломления п среды. T. о., Г. можно рассматривать как планарный оптич. волновод со встроенным в него активным усиливающим слоем. Волновод образован за счёт изменения п в плоскости, перпендикулярной гетеропереходу, а локализация электронно-дырочной плазмы в слое заданной толщины обеспечена потенц. барьерами на границе этого слоя с более широкозонным полупроводником.

Рис. 2. Гетеролазер с резонатором Фабри-Перо, образованный сколотыми гранями полупроводникового кристалла: {110} - плоскости естественного скола, перпендикулярные активному слою, ориентированному в плоскости {100}.

Рис. 3. Схема двух полосковых гетеролазеров с распределённым брэгговским отражением. Локализация протекания тока в узких полосках достигается за счёт высокого электрического сопротивления областей, подвергнутых ионной имплантации; световое поле локализовано в составном волноводе, образованном слоями

а неравновесные носители локализованы в слое P=GaAs,

- шаг дифракционной решётки.

Зеркалами Г. обычно служат грани кристалла (рис.2). Однако в Г. используются также внеш. оптические резонаторы или положит. обратная связь, основанная на распределённом отражении света на периодич. оптич. неоднородностях. Для этого на поверхность волноводного слоя Г. наносится дифракц. решётка с периодом

(рис. 3), кратным целому числу полуволн излучения в среде:

. Здесь

- длина волны лазерного излучения в вакууме, N - эффективный показатель преломления волноводнои моды, т - порядок брэгговского отражения. Различают Г. с рагпределённой обратной связью (РОС), когда световая волна взаимодействует с решёткой в области усиления, и с распределённым брэгговским отражением (PBO), когда решётка нанесена на пассивную часть волноводнои структуры Г. РОС- и РБО-Г. характеризуются узкополосностью (

~0,1 нм) и высокой температурной стабильностью

. Дифракц. решётка используется в РОС-Г. также для вывода излучения, что улучшает направленность излучения и повышает его мощность. РБО-Г. могут быть сформированы в едином технол. процессе с др. элементами интегральной оптики, базирующимися на полупроводниковых волноводных гетероструктурах.

Г. осуществлён впервые в СССР (1968), а затем в США (1969) на гетероструктуре GaAs-AlAs. Г. перекрыли диапазон

от жёлто-зелёной области до неск. десятков мкм (1980). Твёрдые растворы Ga_xIn_1-xAS_yP_1-y, изопериодические с подложкой GaP_xAs_1-x, позволили создать самые коротковолновые инжекционные Г. (при Т~300К). Эти же твёрдые растворы, изопериодические с подложкой InP, позволяют получать низкопороговые инжекционные Г. для

~1 - 1,6 мкм (наиб. перспективного для волоконно-оптич. линий связи). Твёрдые растворы In_xGa_1-xAS_ySb₁__y, изопериодические с подложкой GaSb и AlSb. перспективны для

= 2-4 нм. Дальняя ИК-область (

>5мкм) осваивается с помощью твёрдых растворов PbS_xSe_1-xPb_xS_1-xTe.

Литература по гетеролазерам

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.