Мета

Ознайомитися з роботою інжекційних  лазерів на гетеропереходах, навчитися розраховувати їх параметри.

Вступ

Основними особливостями напівпровідників, як лазерних активних матеріалів, є можливість отримання винятково високих показників підсилення з одиниці довжини, а також можливість безпосереднього перетворення електричної енергії в світлову, що відбувається при інжекційній люмінесценції. Перша особливість дозволяє, а іноді і вимагає застосовувати активні елементи винятково малих розмірів. Друга особливість притаманна  лише  інжекційним лазерам.

В інжекційних лазерах накачування проводиться шляхом інжекції неосновних носіїв заряду через p-n перехід при пропусканні через нього струму в прямому напрямку. Для оптимальної роботи таких лазерів потрібно сумістити область, в якій створена інверсія, з областю розповсюдження  випромінювання, тобто в одному і тому ж активному шарі локалізувати нерівноважні  носії заряду і фотони. В лазерах на звичайному p-n переході це реалізується далеко не оптимальним чином, тому вони мають в основному погані робочі характеристики, зокрема високі значеннями порогової густини струму.

Локалізацію електронного і світлового потоку і їх суміщення можливе в лазерах на подвійних гетероструктурах (ДГС), в якому активна область являє собою  тонкий шар вузькозонного напівпровідника, розташованого між двома широкозонними n- i p- областями, що виконують функцію емітерів. Властивості гетеропереходів(одностороння інжекція, надінжекція і хвилеводний ефект) дозволяють суттєво полегшити досягнення  умови інверсії в інжекційних ДГС лазерах. Широко використовується так званий смужковий лазер — інжекційний гетеролазер, в якому активна область викона в вигляді тонкої смужки. Така конструкція забезпечує зменшення робочого струму, ефективну селекцію поперечних мод в напрямку, паралельному  p-n переходу, і забезпечує стійку роботу лазера.

Для зменшення робочого струму ДГС лазера потрібно зменшувати товщину активної області d. Однак при d<λ/n цьому перешкоджає збільшення втрат, викликаних просоченням світла в низькоомні P+ i N області( і зменшення коефіцієнта утримання світла ξ)(рис.2). Щоб зменшити обидва цих ефекти, необхідно розділити області електронного і оптичного обмеження, помістивши надтонкий шар товщиною d<< λ всередину більш товстого шару товщиною D≈ λ/d (рис. 1). При цьому ширина забороненої зони області, що забезпечує оптичне обмеження, має бути більше, чим активного шару.

Як видно з рис.2, параметр оптичного обмеження зменшується зі зменшенням d, але таке зменшення відбувається повільніше, ніж в ДГС-лазері. Дійсно, при d<< λ в ДГС лазері без роздільного обмеження величина  ξ зменшується приблизно як d-2, що визначається двома причинами: 1) збільшення ширини розподілу випромінювання, що викликане послабленням хвилеводного ефекту при d<< λ, тобто розширенням області оптичної локалізації, і 2)чисто геометричним зменшенням d. В лазерах з роздільним електричним і оптичним обмеженням(РОДГС лазерах) перша причина анулюється, друга залишається.

Для успішної роботи РОДГС лазера зменшення ξ при зменшенні d повинне компенсуватися ростом показника підсилення αw в активному шарі. В сучасних РОДГС лазерах в якості активної області використовуються квантоворозмірні структури( квантові ями і квантові точки). Застосування квантоворозмірних структур в активній області таких лазерів дозволяє:

1)зменшити порогову густину струму накачування;

2)послабити температурні залежності;

3)збільшити коефіцієнт підсилення з одиниці довжини активної області;

4)покращити спектральні характеристики.

Таким чином, в даній роботі є можливість оцінити та порівняти параметри ДГС та РОДГС лазера на основі теоретичних розрахунків, вияснити, наскільки вони співпадають з експериметальними результатами для аналогічних лазерних структур.