гетеролазер

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 T300К. 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.

Лит.: Богданкевич О. В., Дарзнек С. А., Елисеев П. Г., Полупроводниковые лазеры, M., 1976; Кейси Х., Паниш М., Лазеры на гетероструктурах, пер. с англ., т. 1-2, M., 1981; Елисеев П. Г., Введение в физику инжекционных лазеров, M., 1983.

Ж. И. Алферов, E. Л. Портной.

   <<      Предметный указатель      >>