Источники оптического импульсного когерентного излучения для информационных систем III презентация

Простейший полупроводниковый лазер
Толщина l определяется через постоянную диффузии D электронов и временем рекомбинации tau: для GaAs D = 10 см2/с и tau = 10-9 секунд толщина l~ 1 мкм. Только в этой узкой полосе возможны усиление света и генерация лазерного излучения. n1 - плотность электронов в нелегированном пп.

(а) Низкое напряжение дает только слабое световое излучение, б) более высокое напряжение генерирует излучение большей интенсивности. (Разность уровней Ферми определяется посредством внешнего напряжения U: eU = Fc — Fv
Генерация излучения происходит в диодном лазере посредством рекомбинации электронов и дырок при подаче напряжения U в направлении пропускания. Это напряжение уменьшает разность потенциалов между зонами п- и р-типа.
Если напряжение U укладывается в порядок величин ширины запрещенной зоны (eU~Eg) в направлении пропускания диода, то разность потенциалов между двумя энергетическими зонами сокращается.

Роберт
Холл и
первый
GaAs
лазер
On the morning of Sunday, September 16, 1962, Robert Hall’s team at General Electric Research Labs demonstrated infrared emission from a gallium arsenide (GaAs) semiconductor with a "strange" interference pattern implying coherent laser light—the first semiconductor laser was born. https://youtu.be/3B1P9ERCaxg

Coherent Light Emission From GaAs Junctions
R. N. Hall, G. E. Fenner, J. D. Kingsley, T. J. Soltys, and R. O. Carlson
Phys. Rev. Lett. 9, 366 (1962) – Published 1 November 1962
Структура пучка на
расстоянии 5 см от
p-n перехода выше
порога генерации

Coherent infrared radiation has been observed
from forward biased GaAs p -n junctions. Evidence
for this behavior is based upon the sharply
beamed radiation pattern of the emitted light, upon
the observation of a threshold current beyond which
the intensity of the beam increases abruptly, and
upon the pronounced narrowing of the spectral distribution
of this beam beyond threshold. The stimulated
emission is believed to occur as the result
of transitions between states of equal wave number
in the conduction and valence bands.
Several requirements must be fulfilled' in order
that such stimulated emission can be observed:
(a) The electron and hole populations within the
active region must be large enough that their quasi-
Fermi levels are separated by an energy greater
than that of the radiation; (b) losses due to absorption
by other processes must be small relative to
the gain produced by stimulated emission; and
(c) the active region must be contained within a
cavity having a resonance which falls in the spectral
range within which stimulated emission is possible.

Простейший полупроводниковый лазер
Показатель преломления GaAs составляет: n = 3,6, коэффициент отражения: R = [ (n — 1)/(n + 1) ]2 = 0,32. Дополнительное зеркальное покрытие в данном случае не обязательно, усиления здесь и так вполне достаточно.

Зависимость энергии запрещенной зоны от
постоянной кристаллической решетки
двойных соединений AIII-BV и их растворов

Схемы лазерных гетероструктур на основе твердых растворов AlAs-GaAs (x1, x2, x3 – значения x в формуле твердого раствора Ga1-xAlxAs). а — простой р-n гетеропереход; б—односторонняя гетероструктура с р-n переходом в узкозонном материале и р — р -гетеропереходом, создающим потенциальный барьер для инжектируемых электронов; в — двусторонняя гетероструктура с р — р- и р — n -гетеро­переходами; г — двусторонняя гетероструктура с р — n -переходом в узкозонном материале и двумя гетеропереходами; д—гетероструктура с раздельными электронным и оптическим ограничениями. Под гетероструктурами приведены упрощенные графики пространственного изменения ширины запрещенной зоны

Зависимость энергии запрещенной зоны от
постоянной кристаллической решетки
двойных соединений и их растворов

Полупроводниковые лазеры
с гетероструктурами

Волноводные свойства гетероструктур

Полупроводники, используемые в полупроводниковых лазерах, и спектральные диапазоны излучения

Типы полупроводниковых лазеров
лазерные диоды с одной поперечной модой,
волноводные лазеры ребристой структуры (англ. ridge wave guide laser),
трапецеидальные усилители (англ. tapered amplifier),
лазеры с обратной связью (DFB= англ. distributed feedback laser),
лазеры с отражателем Брэгга (DBR = англ. distributed Bragg reflector laser),
широкополосные лазеры,
одномерные лазерные матрицы (англ. bar);
двухмерные лазерные матрицы (англ. stack)
лазеры с поверхностным излучением и вертикальным резонатором (VCSEL — = англ. vertical cavity surface emitting laser).

Гетеролазер с полосковым контактом
Гетеролазер с полосковым контактом после обработки пучком протонов

Оптическая схема считывания информации в CD-ROM

Применявшаяся в первых LPU однолучевая схема довольно скоро была практически полностью вытеснена трехлучевой.

Локальная (побитовая) запись
S~(λ/А)2
λ - длина волны излучения
А – числовая апертура (A=n×sin Θ)

Лазерный видеодиск и CD-диск

Сравнительный анализ CD и DVD

Геометрия и плотность записи на CD, DVD и Blu-Ray дисках

Структурные типы DVD

Структура DVD-дисков

Запись информации

Стирание данных

Механизм записи

Метод Чохральского
Обычно скорость роста составляет несколько мм в минуту, а вращение обеспечивает получение кристаллов цилиндрической формы. Кремниевые слитки, изготавливаемые таким образом, имеют теперь диаметр больше 30 см.
Монокристаллы GaAs и фосфида индия (InP) обычно выращивают методом Чохральского, но расплав изолируется от воздуха слоем расплавленного оксида бора для того, чтобы предотвратить утечку летучих паров аниона.

Химическая газофазная эпитаксия
Эпитаксией называется процесс наращивания монокристаллических слоев на
подложку, при котором кристаллическая ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки.
Для обеспечения высокого качества кристаллической структуры тонкого верхнего слоя, его кристаллическая структура должна быть сходной или идентичной со структурой подложки, а постоянные их решеток должны быть как можно ближе друг к другу, чтобы свести к минимуму деформацию. При этом атомы, образующие тонкий слой, будут стремиться к образованию монокристалла с той же кристаллографической ориентацией, как и у подложки. В таких случаях говорят, что результирующая пленка наносится на подложку эпитаксиально. Нанесение пленки монокристалла с тем же химическим составом называется гомоэпитаксией (например, нанесение пленки Si на объемный кристалл Si). Если пленка наносится на подложку со сходной структурой, но с другим химическим составом, то процесс роста называется гетеро-эпитаксией (например, рост пленки GaAs на подложке Si).

Схематическое изображение установки для металлоорганической газофазной эпитаксии (а).
Двупоточная ГФЭМОС-установка, предложенная Накамурой с соавторами для роста GaN (б).
Схема газовых потоков вблизи поверхности подложки (в)

Молекулярно-пучковая эпитаксия
Схематическое изображение эффузионной ячейки (ячейки Кнудсена)

Потенциальная яма возникает, когда слой GaAs выращивается между двумя более широкозонными барьерными слоями AlGaAs. Когда ширина слоя ямы достаточно мала, движение электронов в квантовой яме становится квантованным в направлении роста, при этом разрешенные энергетические уровни, соответствующие движению в этом направлении, становятся дискретными. В плоскости, параллельной границам раздела, движение электронов остается неограниченным. В результате этого полная электронная волновая функция дается произведением огибающей функции (решение одномерного уравнения Шредингера) и периодических блоховских функций Uпк (обусловленных периодичностью кристаллической решетки), а также плоских волн, описывающих свободное движение в плоскости, параллельной границам раздела.
Уровни энергии одномерной потенциальной ямы шириной a
В плоскости ху (потенциальной ямы) передвижение носителей не ограничивается, поэтому полную энергию носителей можно записать в виде

Изображение волновых функций для четырех нижних уровней энергии (п = 1, 2, 3, 4) одномерной прямоугольной ямы с бесконечно высокими стенками.
Схема уровней одномерной прямоугольной ямы, на которой показаны
уровни ямы с бесконечно высокими стенками (слева, пунктирные линии) и лежащие ниже уровни ямы с конечными стенками (справа, сплошные линии).

Количество электронов N(E) (слева) и плотность состояний D(E) (справа) в зависимости от энергии для четырех типов квантовых структур в приближении прямоугольных ям и Ферми-газа.
Плотности состояний в зоне проводимости и валентной зоне однослойной КРС

Оптические переходы в КРС

Квантово-размерная структура

Многослойная КРС

Ступенчатый характер распределения плотности состояний, которая конечна даже при минимально возможной энергии, позволяет создать полупроводниковые лазеры с низким значением порогового тока < 1 мА при комнатной температуре и слабой температурной зависимостью порогового тока.
Большая анизотропия оптического усиления (оптическое усиление для ТЕ-моды значительно больше, чем для ТM-моды) в структурах с квантовыми ямами обеспечивает высокую стабильность поляризации оптического излучения.
Узкая ширина полосы оптического усиления структуры с квантовыми ямами позволяет легко осуществить одномодовый режим генерации не только в полосковой, но и в ширококонтактной структуре.
В таких лазерах наблюдается линейная зависимость мощности оптического излучения от силы тока и высокая степень постоянства модового состава излучения.

Зонная диаграмма при прямом смещении 0,66 В и волноводный спектр усиления TE моды (в) для квантовых ям 7 (g7), 8 (g8), 10 (g10) и 14 нм (g14).
gtot – суммарный спектр волноводного усиления
при использовании асимметричных многослойных
квантоворазмерных гетероструктур на основе четверных соединений
Ga0,6In0,40As0,36Sb0,64 /Al0,35Ga0,65As0,03Sb0,97 с неоднородно возбужденными
активными слоями, отличающимися толщиной, можно получить
широкий и практически плоский спектр волноводного усиления в
диапазоне 2,30–2,84 мкм.

Принцип функционирования SEED-прибора. Под влиянием электрического поля носители освобождаются из квантовой ямы, например, за счет туннелирования (а). Структура, содержащая квантовые ямы, электрически смещается цепью с последовательным сопротивлением R(6). Реакция структуры на действие электрической цепи заключается в резком уменьшении выходного сигнала, когда мощность входного излучения превышает определенное пороговое значение (в).

Генерация сверхкоротких импульсов

Электрооптические модуляторы света
Ячейка Поккельса
Минимальное время переключения ~ 1 пс

Синхронизация продольных мод в резонаторе
ω
ω

Методы синхронизации мод
Активная синхронизация мод
Пассивная синхронизация мод

Методы генерации сверхкоротких импульсов

Частота синхронизации мод в современных
полупроводниковых лазерах

Структура лазера типа
GRIN-SCH с многослойной
квантоворазмерной структурой
градиентные
слои
градиентные
слои
МКРС

Экспериментальные данные по получению
цуга фемтосекундных импульсов в полупроводниковом
лазере с синхронизацией мод (GRIN-SCH-MQW-CPM)

Временной цуг импульсов
GRIN-SCH-MQW-CPM лазера
с частотой 1 ТГц

В общем случае график jth(T) можно разбить на два или три участка: от предельно низких температур до T1 – участок постоянного или медленного роста jth(T), от T1 до T2 – пологий участок экспоненциального роста jth, выше T2 – участок более крутого экспоненциального роста. i = 1, 2; T0i – параметры аппроксимации.
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ПОРОГА ГЕНЕРАЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ
ДГС
ЛКТ ЛКЯ

Формирование квантово-размерных структур
Квантовая яма из арсенида галлия на подложке; б) - квантовая проволока и квантовая точка, полученные методом литографии.
метод электронно-лучевой литографии: а) — изначальная покрытая защитным слоем квантовая яма на подложке; б) — облучение образца через маску; в) — конфигурация после растворения проявителем облученной части радиационно-чувствительного защитного слоя; г) — формирование маски для последующего травления; д) — состояние после удаления оставшейся части чувствительного защитного слоя; е) — состояние после стравливания частей материала квантовой ямы; ж) — окончательный вид наноструктуры после удаления маски травления.

Схема уровней в различных структурах
a – объемный материал; b – квантовая яма;
c – квантовая проволока;d – квантовая точка.
Betul Arda, Huizi Diwu. Department of Electrical and Computer Engineering University of Rochester)

Структура уровней
Дискретные уровни энергии: высокая плотность состояний, слабая зависимость от температуры.
КТ КЯ

Структурная схема лазера на КТ
Идеальный ЛКТ состоит из 3D-массива точек одинакового размера и формы.
Окружен более широкозонным п.п. – электронное ограничение .
Встроен в оптический волновод - оптическое ограничение.
Состоит из нижнего и верхнего слоев (n-типа и p-типа )

ЛКТ
MBE-технология
Интеграция слоев квантовых точек в активную зону лазера с двойной гетероструктурой
Плотность КТ >1010cm-2

Преимущества лазера на КТ
Длина волны генерации определяется энергетическими уровнями, а не шириной ЗЗ:
возможность управлять длиной волны (изменением размеров);
максимальный коэффициент усиления.
Небольшой объем:
высокая частота повторения импульсов;
большая ширина полосы модуляции;
малый динамический чирп;
малый коэффициент увеличения ширины линии;
низкий порог лазерной генерации.
Зависимость от температуры тока порога генерации I threshold (T)
I threshold (T) = I threshold (T ref).exp ((T-(T ref))/ (T 0)) :
высокое значение T 0 вследствие уменьшенного электрон-фононого взаимодействия;
работа при комнатной температуре без термостабилизации.
Подавление диффузии неравновесных носителей – уменьшение потерь.

Зависимость длины волны генерации
ЛКТ и ЛКСР от температуры

1.3 µm Quantum Dots

Вертикально излучающие полупроводниковые лазеры

Лазерная связь между чипами

Линейка выколотых гетеролазеров

Полупроводниковый лазер с
распределенной обратной связью
DFB – distributed feedback laser

Схематическое изображение лазерных структур: a - традиционный полосковый лазер, b - вертикально-излучающий лазер.
DBR
distributed Bragg reflector

Вертикально-излучающий
лазер (ВИЛ) на двух длинах волн
с брэгговскими зеркалами (DBR)

Схемы электронного и оптического ограничения

Решетка ВИЛ лазеров

ВИЛ с плоскими брэгговскими зеркалами

ВИЛ на модах шепчущей галереи

Микролазеры

ВИЛ с активной областью на основе трех слоев квантовых точек InAs/InGaAs.

Фосфид индия
Арсенид галлия
Антимонид индия
Германий
кремний
InP
Si
Кремний – непрямозонный материал
Низкая эффективность излучательной рекомбинации (поглощение на свободных носителях, оже-рекомбинация)
Структура зон и оптические переходы

Кремниевый гибридный лазер

ЗОННАЯ СТРУКТУРА

ПРОФИЛЬ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ

РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Литература
О.Звелто. Принципы лазеров.-М.:Мир, 1984
Физика полупроводниковых лазеров.- М.:Мир, 1989
Laser Focus World, 2000, Vol. 36, No. 4, 5, 6, 7
Semiconductor Lasers 2000. www.optoelectronics-world.com