Лазерні діоди: принцип роботи, види та застосування

Лазерні діоди: принцип роботи, види та застосування

Винахід напівпровідникового лазерного діода заслужено вважається одним з кращих досягнень в галузі фізики другої половини минулого століття. Незалежні розробки радянських і американських вчених в області оптичного випромінювання твердотільних матеріалів, проведені понад півстоліття тому, сьогодні показують свою ефективність у побутовій, промислової та військовій сфері.
На відміну від світловипромінювальних діодів, робота яких заснована на спонтанному випромінюванні фотонів, лазерні діоди мають більш складний принцип дії і структуру кристала.

Принцип роботи

Щоб зрозуміти, звідки з’являються фотони, розглянемо процес рекомбінації (зникнення пари вільних носіїв – електрона і дірки). При подачі прямої напруги до p-n переходу діода виникає інжекція, тобто різке збільшення концентрації нерівноважних носіїв. В процесі інжекції, що рухаються назустріч один одному, електрони і дірки рекомбінують, виділяючи енергію у вигляді частки – фотона і квазічастинки – фонони. Так відбувається спонтанне випромінювання, що спостерігається в світлодіодах.

У випадку з лазерним діодом замість спонтанного необхідно запустити механізм вимушеного випромінювання фотонів з однаковими параметрами. Для цього з кристала формують оптичний резонатор, проходячи через який, фотон із заданою частотою змушує рекомбинировать електронні носії, що сприяє появі нових фотонів тієї ж поляризації і фази. Їх називають когерентним.

При цьому лазерна генерація можлива тільки в разі наявності надмірно великої кількості електронних носіїв на верхньому енергетичному рівні, вивільнених у результаті інжекції. Для цього використовують струм накачування такої сили, щоб викликати інверсію електронних населенностей. Під цим явищем на увазі стан, в якому верхній рівень набагато більше заселений електронами, ніж нижній. В результаті стимулюється випромінювання когерентних фотонів.

Далі такі фотони багаторазово відбиваються від граней оптичного резонатора, провокуючи запуск позитивного зворотного зв’язку. Це явище носить лавиноподібний характер, в результаті якого народжується лазерний промінь. Таким чином, створення будь-якого оптичного генератора, в тому числі лазерного діода, вимагає виконання двох умов:

  • наявність когерентних фотонів;
  • організація позитивної оптичної зворотного зв’язку (Поос).

Щоб сформований промінь не розсіювався внаслідок дифракції, прилад компонують збирає лінзою. Тип встановлюється лінзи залежить від виду лазера.

Види лазерних діодів

За роки розвитку пристрій лазерного діода зазнало безліч змін. Його конструкція удосконалювалася, багато в чому завдяки появі високотехнологічного обладнання. Найвища точність легування і полірування напівпровідникового кристала, а також створення Гетероструктурні моделі – фактори, які забезпечили високий коефіцієнт відбиття на границі «кристал-повітря» і формування когерентного випромінювання.

Перший лазерний діод (діод з гомоструктурой) мав один p-n перехід і міг працювати виключно в імпульсному режимі через швидке перегріву кристала. Він має лише історичне значення і не застосовується на практиці.

Більш ефективним виявився лазерний діод з подвійною гетероструктур (діод ДГС). Його кристал створений на основі двох гетероструктур. Кожна гетероструктура – це матеріал (арсенід галію і арсенід алюмінію-галію) з малою шириною забороненої зони, який розташований між шарами з більшою шириною забороненої зони. Перевага лазерного діода ДГС полягає в істотному збільшенні концентрації різнополярних носіїв в тонкому шарі, що значно прискорює прояв позитивного зворотного зв’язку. До того ж відображення фотонів від гетеропереходов веде до зниження їх концентрації в області низького посилення, а значить, підвищує ефективність всього пристрою.

Лазерний діод з квантовими ямами влаштований за принципом діода ДГС, але з більш тонкої активною областю. Це означає, що елементарні частинки, потрапляючи в таку потенційну яму, починають рухатися в одній площині. Ефект квантування в даному випадку замінює потенційний бар’єр і служить генератором випромінювання.

Недостатня ефективність утримання світлового потоку в діодах ДГС привела до створення гетероструктурних лазера з роздільним утриманням. У цій моделі кристал додатково покривається шаром матеріалу з кожної зі сторін. Незважаючи на менший коефіцієнт заломлення цих шарів, вони впевнено утримують частинки, виступаючи в ролі світловода. Технологія SCH займає лідируючу позицію у виробництві діодних лазерів.

Лазерний діод з розподіленою зворотним зв’язком (РІС) є частиною оптичного устаткування в сфері побудови телекомунікаційних систем. Довжина хвилі РОС лазера є константою, що досягається шляхом нанесення поперечної насічки на напівпровідник в області p-n-переходу. Насічка виконує функцію дифракційних грат, тим самим повертаючи в резонатор фотони тільки з однієї (заданої) довжиною хвилі. Ці когерентні фотони і беруть участь в посиленні.

Поверхнево-випромінюючий лазерний діод з вертикальним резонатором або вертикально-випромінюючий лазер ВІЛ (англ. – VCSEL) на відміну від раніше розглянутих приладів випускає промінь світла перпендикулярно поверхні кристала. В основі конструкції VCSEL лежить метод використання вертикальних оптичних мікрорезонаторів з дзеркалами, а також досягнення методу ДГС і квантової ями. Перевага технології VCSEL складається в температурної та радіаційної стабільності, в можливості групового виробництва кристалів і їх тестування безпосередньо на стадії виготовлення.

Модифікацією VCSEL є ВІЛ із зовнішнім резонатором (англ. – VECSEL). Обидва лазерних діода позиціонуються як прилади високої швидкодії з можливістю забезпечення передачі даних в майбутньому на швидкості до 25 Гбіт / с через волоконно-оптичну зв’язок.

різновиди корпусів

Популяризація лазерних діодів змушувала виробників самостійно розробляти нові типи корпусів. З урахуванням їх специфічного призначення компанії випускали все нові і нові види захисту і охолодження кристала, що призвело до відсутності уніфікації. В даний час не існує міжнародних стандартів, що регламентують корпусу лазерних діодів.
Намагаючись навести порядок, великі виробники укладають між собою договір про уніфікацію корпусів. Однак перед практичним застосуванням невідомого лазерного діода завжди слід уточнювати призначення висновків і довжину хвилі випромінювання, незважаючи на знайомий тип корпусу. Серед промислово випускаються напівпровідникових лазерів найбільш часто зустрічаються два види з зазначеними нижче корпусами.
1 Прилади з відкритим оптичним каналом:

  • TO-can (transistor-out-line metal-can package). Корпус виконаний з металу і застосовується у виготовленні транзисторів;
  • C-mount;
  • D-mount.

2 Прилади з волоконним виходом:

  • DIL (Dual-In-Line);
  • DBUT (Dual-Butterfly);
  • SBUT (Single-Butterfly).

застосування

Кожен тип лазерного діода знаходить практичне застосування, зважаючи на своїх унікальних особливостей. Вартість малопотужних зразків знизилася в рази, про що свідчить їх застосування в дитячих іграшках і указка. Ними оснащують лазерні рулетки-далекоміри, що дозволяє одній людині проводити завмер відстаней і супутні обчислення. На червоних лазерах заснована робота зчитувачів штрих-кодів, комп’ютерних маніпуляторів і DVD-програвачів. Деякі види використовують в проведенні наукових досліджень і для накачування інших лазерів. Найбільш затребувані лазерні діоди для передачі даних в оптоволоконних мережах. Нові моделі VCSEL забезпечують швидкість в 10 Гбіт / с, що відкриває додаткові можливості для комплексу телекомунікаційних послуг, в тому числі:

  • сприяють зростанню швидкості інтернету;
  • поліпшенню телефонного та відеозв’язку;
  • підвищують якість телевізійного прийому.

Результатом вдосконалення лазерного діода став збільшений термін служби, який тепер можна порівняти з напрацюванням на відмову світловипромінювальних діодів. Зменшення струму накачування підвищило надійність приладів, а їх вклад в розвиток технічного прогресу не менше, ніж у інших електронних компонентів.

Ссылка на основную публикацию