Лазерные диоды широко различаются по длине волны, мощности, спектру и качеству луча. Тем не менее, они разделяют два основных компонента со всеми другими лазерами: оптический усилитель и резонатор, который ограничивает и рециркулирует свет через усилительный элемент.
В диодном лазере усилительный элемент представляет собой смещенный вперед PN переход, сформированный в полупроводнике с прямой запрещенной зоной. Оптическое усиление обеспечивается рекомбинацией электронов и дырок в PN-переходе. При прямом смещении электроны инжектируются со стороны N, а дырки инжектируются со стороны P; и электроны, и дырки удерживаются в пределах нижней запрещенной зоны, где они могут рекомбинировать либо спонтанно, либо посредством вынужденного излучения при возбуждении существующим фотоном. (Они также могут рекомбинировать без излучения, что является паразитным процессом, снижающим производительность.)
Рабочее напряжение определяется шириной запрещенной зоны излучаемого света плюс линейный коэффициент, обусловленный последовательным сопротивлением; для излучения 1 мкм рабочее напряжение составляет около 2 В. Диодные лазеры могут быть чрезвычайно эффективными. Например, недавний прогресс в эффективности «настенной розетки» (т. е. преобразовании входной электрической мощности в выходную оптическую мощность) диодных лазеров, работающих в диапазоне длин волн 940 нм, приближается к 70%.
Резонатор непрерывно рециркулирует свет и отвечает за высокий уровень когерентности, как пространственной (фокусируемой на очень маленькое пятно), так и спектральной (состоящей из узкого диапазона частот). В большинстве случаев резонатор включает в себя волновод, который ограничивает свет в двух измерениях, заставляя его перемещаться вперед и назад по преимущественно линейному пути.
Резонатор ограничен зеркалами, которые обычно образуются сколами на каждом конце волновода. Резонатор, состоящий из двух плоскопараллельных зеркал, называется резонатором Фабри-Перо; большинство лазерных диодов относятся к этому типу.
Фасеты зеркала покрыты диэлектрической пленкой для увеличения или уменьшения отражательной способности и повышения устойчивости к повреждениям от чрезвычайно высоких плотностей мощности – до 100 МВт / см2. Как правило, одна грань покрыта покрытием с высокой отражательной способностью (99%), а та, с которой снимается выходной сигнал, имеет коэффициент отражения от 1 до 10%. Подавляющее большинство диодных лазеров излучают с поляризацией в плоскости кристалла; исключения включают некоторые видимые лазеры.
PN-переход с электрической накачкой качественно одинаков для всех полупроводниковых лазеров – отличается только выбором материалов, примесей и толщиной слоя, которые влияют на длину волны, эффективность, управляемую мощность и т. д.
Идентичные или подобные эпитаксиальные структуры также используются в некоторых нелазерных устройствах: полупроводниковых оптических усилителях, используемых в волоконно-оптических системах передачи; и светодиоды с торцевым излучением, называемые суперлюминесцентными диодами, которые излучают некогерентное широкополосное излучение, которое используется в различных специализированных датчиках и системах связи.
Материалы и длины волн
В принципе, диодный лазер может быть изготовлен из любого прямозонного полупроводника. Однако для эффективных лазеров с электрическим инжектированием требуются точно легированные слоистые структуры из различных сплавов, которые согласованы по решетке друг с другом и с подложкой. Эти требования накладывают некоторые ограничения на доступные материалы.
Коммерческие полупроводниковые лазеры – это все соединения III-V – сплавы элементов III и V групп периодической таблицы. Существует два основных коммерческих семейства полупроводниковых лазеров – на подложках GaAs и на подложках InP.
Лазеры на основе GaAs формируются из сплавов Ga, Al, In и As, P, выращенных в составах, согласованных по решетке с GaAs. Они могут излучать на любой длине волны от примерно 630 до примерно 1100 нм, из которых наиболее распространены коммерческие волны 635, 650, 680 и 780 нм, которые используются в оптических накопителях и дисплеях; 785, 808, 830, 920 и 940 нм, которые используются для различных приложений накачки и печати; и 980 нм, который используется для накачки волоконных усилителей в телекоммуникациях.
Лазеры на основе InP формируются из сплавов тех же компонентов, Ga, Al, In и As, P, но в составах, которые согласованы по решетке с InP. Их диапазон составляет примерно от 1100 до 2000 нм, но наиболее распространенными являются излучатели на 1300, 1480 и 1550 нм, которые используются в оптоволоконной связи.
Более длинные волны – примерно до 10 мкм – возможны за счет включения в сплав других материалов (например, Sb) и / или использования других подложек. Более короткие длины волн, примерно до 400 нм, были продемонстрированы при выращивании GaN и родственных ему сплавов, а коммерческие лазеры в ближнем УФ-диапазоне находятся в стадии разработки.
Одномодовые пространственно-модовые лазеры
Самым простым и наиболее распространенным лазерным диодом является лазер с одной пространственной модой (также называемый одиночной поперечной модой). Одиночный пространственный режим подразумевает, что луч может быть сфокусирован в пятно с ограничением дифракции. (Не следует путать с термином одиночная продольная мода или одночастотная мода, который относится к оптическому спектру.) Термин одномодовый может быть и часто используется для обозначения обоих типов лазеров.
Узкий волновод, который может быть образован гребнем или ступенькой со скрытым индексом, поддерживает только одну оптическую моду. Это ограничивает его шириной от 2 до 5 мкм, в зависимости от деталей структуры волновода. Свет, излучаемый одномодовым лазером, на грани обычно имеет высоту 1 мкм и ширину от 3 до 4 мкм. Покидая грань, свет дифрагирует, создавая расходящийся луч, который обычно составляет от 20 до 30 (FWHM) в вертикальном направлении (перпендикулярно плоскости соединения, также называемой быстрой осью) и от 5 до 10 в горизонтальном направлении (в плоскости стыка, также называемой медленной осью).
Разработчику оптики луч кажется идеальным точечным источником. Однако он анаморфен, потому что расхождения в двух перпендикулярных направлениях различны. Кроме того, многие одномодовые лазеры с пространственной модой имеют слабый астигматизм, значения которого варьируются от долей микрона до нескольких десятков микрон, в зависимости от конкретной структуры лазера. И анаморфизм, и астигматизм можно исправить с помощью относительно простой оптики.
Одномодовые пространственно-модовые лазеры используются везде, где требуется ограниченное дифракцией пятно, например, для хранения оптических данных (приложение с самым большим единичным объемом для всех лазерных диодов), термопечати и ксерографической печати, в качестве насосов и источников передачи в одномодовом оптоволокне и в повсеместной лазерной указке. Из-за узкого волновода, обусловленного требованием одномодового режима, локальная плотность мощности и тепловое рассеяние являются значительными и ограничивают максимальную среднюю мощность где-то ниже 1000 мВт. Эту мощность можно увеличить с помощью более сложных лазерных структур.
Резонатор Фабри-Перо в лазерном диоде с одной пространственной модой может поддерживать несколько продольных мод – длины волн, разделенных примерно 1 Å. Хотя многие диоды Фабри-Перо могут иногда работать в одной продольной моде, они подвержены непредсказуемым скачкам мод, и либо модуляция, либо довольно низкие уровни обратной связи могут дестабилизировать лазер, заставляя его работать в нескольких продольных модах.
Многомодовые лазеры
Ограничение на полную выходную мощность одномодового лазера определяется плотностью мощности в узком волноводе. Более низкую плотность мощности и более высокую мощность можно получить, просто расширив структуру лазера, увеличив ширину с 3 или 4 мкм до 50, 100 или 200 мкм. Более широкие лазеры могут работать с гораздо более высокими мощностями – до 2 Вт типично для апертуры 100 мкм, хотя более высокие мощности становятся коммерчески доступными (от 4 до 6 Вт) – за счет потери пространственной когерентности. Эти лазеры называются многомодовыми или широкозонными лазерами.
Их нельзя сфокусировать в пятно с ограничением дифракции или эффективно объединить в одномодовое волокно. Также обратите внимание, что, хотя грань может быть в 30 раз шире, максимальная мощность многомодового лазера менее чем в 30 раз выше, чем у одномодового лазера. Максимальная мощность обычно увеличивается сублинейно с увеличением ширины лазера.
Необычные лазерные структуры
Хотя большинство продаваемых сегодня лазеров попадают в одну из вышеперечисленных категорий, было продемонстрировано несколько других типов, которые продаются на коммерческой основе.
Самым новым из них является лазер с поверхностным излучением с вертикальным резонатором, или VCSEL. В отличие от других лазеров, представленных выше, в которых свет распространяется в плоскости полупроводниковой пластины, в VCSEL свет распространяется перпендикулярно пластине и испускается с поверхности. Зеркала обычно создаются путем выращивания многослойных диэлектрических пакетов выше и ниже активного слоя квантовой ямы; Боковое ограничение обеспечивается либо направлением усиления, либо, в более новых устройствах, кольцевым кольцом из окисленного AlAs.
VCSEL – это эпитаксиальные структуры, которые намного сложнее выращивать, чем лазеры с торцевым излучением; многослойные пакеты должны иметь коэффициент отражения до 99,8%, а толщину слоев необходимо точно контролировать, чтобы частота резонатора попадала в полосу усиления квантовой ямы. Однако, поскольку они не имеют сколов граней, они могут быть полностью изготовлены и испытаны на уровне пластины, поэтому их обработка после выращивания значительно упрощается. Кроме того, их низкое энергопотребление – пороги могут быть значительно ниже 1 мА – и их низкая расходимость, почти круглый профиль луча, делают их хорошо подходящими для подключения к оптическим волокнам. Благодаря этим свойствам VCSEL нашли прочное применение в недорогих многомодовых волоконно-оптических линиях связи, особенно в линейных и двумерных массивах.
DBR и настраиваемые DFB
Наличие скрытой решетки – это то, что заставляет лазер с распределенной обратной связью работать на одной частоте. Более сложные лазерные структуры объединяют решетки с областями волновода без решеток и двумя или более контактами для получения монолитных перестраиваемых лазеров. Лазер с распределенным брэгговским отражателем (DBR) заменяет одну из граней лазера Фабри-Перо решеткой, аналогичной решетке DFB. Он обеспечивает более высокую мощность в непрерывном режиме, чем эквивалентный DFB-лазер, за счет введения скачков мод с управляющим током. Добавление второго контакта в область решетки дает широкополосную перестраиваемость. Лазеры DBR и их варианты используются для различных спектроскопических и инструментальных приложений.