л.диоды. Разработка системы управления длиной волны лазерного диода

• Название: Разработка системы управления длиной волны лазерного диода
• Дата: 19.11.2022
• Размер: 1.51 Mb.
• Имя файла: л.диоды.docx
• Тип: Документы; #799764
• страница: 2 из 12

1.Лазерный диод

Лазерные диоды стали очень популярны в последнее время. Невысокая стоимость, обусловленная простотой изготовления, и минимум управляющих электрических цепей сделали это тип светоизлучателей очень распространенным. Это раньше лазерный прицел можно было увидеть только в криминальных боевиках, а сейчас небольшие фонарики с полупроводниковым лазером внутри используются даже в детских игрушках.

Лазерный диод — полупроводниковый лазер, построенный на базе диода. Его работа основана на возникновении инверсии населённостей в области p-n перехода при инжекции носителей заряда.

Рисунок 1- Лазерный диод

1.1 Принцип работы

Принцип действия лазерного диода основан на возникновении инверсии населенности (преобладания частиц с большими энергетическими уровнями) в области полупроводникового p-n перехода в процессе инжекции (увеличения концентрации) носителей электрического заряда: электронов или дырок.

Кристалл полупроводника в лазерном диоде выполнен в виде тонкой прямоугольной пластинки, являющейся, по сути, оптическим волноводом. Чтобы из пластины сделать полупроводниковый электронный компонент – его легируют с двух сторон таким образом, чтобы с одной стороны получилась nобласть, а с другой – p-область. Получается примерно тот же переход, что и в обычном диоде только намного больший по площади [2].

Рисунок 2- Принцип работы лазерного диода

Торцевые стороны пластины очень тщательно полируются, чтобы получился оптический резонатор. В результате даже один фотон света, попавший внутрь пластины и имеющий направление движение, перпендикулярное этим отполированным торцам, будет многократно отражаться и создавать все больше и больше новых фотонов. И как только количество вновь созданных фотонов, которые также движутся перпендикулярно отполированным сторонам пластины, превысит количество новых фотонов, которые поодиночке вылетают из нее (теряются) – начнется генерация лазерного луча.

Лазерный луч на выходе из пластины достаточно тонок, но он сразу же начинает расходиться (рассеиваться). Чтобы собрать его снова производители лазерных диодов используют специальные собирающие линзы.

1.2 Классификация лазерного диода

Устройство рассмотренных выше диодов имеет n-р структуру. Такие лазерные диоды имеют низкую эффективность, требуют значительную мощность на входе, и работают только в режиме импульсов. По-другому они работать не могут, так как быстро перегреются, поэтому не получили широкого применения на практике.

Лазеры с двойной гетероструктурой имеют слой вещества с узкой запрещенной зоной. Этот слой находится между слоями материала, у которого широкая запрещенная зона. Обычно для изготовления лазера с двойной гетероструктурой применяют арсенид алюминия-галлия и арсенид галлия. Каждый из этих соединений с двумя разными полупроводниками получили название гетероструктуры.

Рисунок 3- Лазеры с двойной гетероструктурой

Достоинством лазеров с такой особенной структурой является то, что область дырок и электронов, которую называют активной областью, находится в среднем тонком слое. Следовательно, что создавать усиление будут намного больше пар дырок и электронов. В области с малым усилением таких пар останется мало. В дополнение свет станет отражаться от гетеропереходов. Другими словами, излучение будет полностью находиться в области наибольшего эффективного усиления.

Диод с квантовыми ямами

При выполнении среднего слоя диода более тонким, он начинает функционировать в качестве квантовой ямы. Поэтому электронная энергия будет квантоваться вертикально. Отличие между уровнями энергии квантовых ям применяется для образования излучения вместо будущего барьера.

Это эффективно для управления волной луча, зависящей от толщины среднего слоя. Такой вид лазера намного эффективнее, в отличие от однослойной модели, так как плотность дырок и электронов распределена более равномерно.



Рисунок 4- Диод с квантовыми ямами

Гетероструктурные лазеры

Основной особенностью тонкослойных лазеров является то, что они не способны эффективно удерживать луч света. Для решения этой задачи по обеим сторонам кристалла прикладывают два дополнительных слоя, которые обладают более низким преломлением, в отличие от центральных слоев. Подобная структура похожа на световод. Она намного лучше удерживает луч. Это гетероструктуры с отдельным удержанием. По такой технологии произведено большинство лазеров в 90-х годах.



Рисунок 5- Гетероструктурные лазеры

Лазеры с обратной связью в основном применяют для волоконнооптической связи. Для стабилизации волны на р-n переходе выполняют поперечную насечку для создания дифракционной решетки. Из-за этого в резонатор возвращается и усиливается только одна длина волны. Такие лазеры имеют постоянную длину волны. Она определена шагом насечки решетки. Под действием температуры насечка изменяется. Подобная модель лазера является основой телекоммуникационных оптических систем.



Рисунок 6- Лазеры с обратной связью

Существуют также лазеры моделей VСSЕL и VЕСSЕL, которые являются поверхностно-излучающими моделями с вертикальным резонатором. Их отличие состоит в том, что у модели VЕСSЕL резонатор внешний, и его конструкция бывает с оптической и токовой накачкой.