Lasere Cu Semiconductoare

7/27/2019 Lasere Cu Semiconductoare

1/20

10. LASERE CU SEMICONDUCTORARE

10.1. Funcionarea diodelor laser10.1.1. Dioda laser homojonciuneRadiaia laser poate fi produs i n urma recombinrii electronilor i

golurilor ntr-o jonciune semiconductoare p-n (diod laser) dac ctiguldepete pierderile [10.1]. Diodele laser constituie unicul sistem laser n careemisia stimulat a radiaiei electromagnetice poate fi modulat n amplitudinedirect, prin modularea energiei de pompaj. Astfel, prin modularea temporal adensitii de curent electric de injecie, se realizeaz modularea temporalsimultan a intensitii radiante a undei laser, ceea ce permite transmitereainformaiei pe cale optic, cu ajutorul unui fascicul laser modulat pe baza unui

procedeu care nu este foarte complicat.ntr-un cristal semiconductor, nivelurile energetice posibile ale electronilor

n cristal sunt distribuite n banda de valen i n banda de conducie, benzienergetice separate printr-o band interzis de pn la 3 eV. Pentru cretereaartificial a conductivitii electrice la temperatura camerei, semiconductorul poatefi dopat cu impuriti donoare de electroni, iar cristalul semiconductor areelectronii ca purttori de sarcin majoritari, sau cu impuriti acceptoare deelectroni, iar semiconductorul are golurile (absenele electronilor) ca purttorimajoritari. Considerm cazul unui dopaj peste o anumit limit a concentraiei deimpuriti, att donoare ct i acceptoare, astfel nct, att n banda de valen ct in banda de conducie, electronii nu pot avea energii dect pn la anumite valori,denumite cvasiniveluri Fermi, n banda de conducie i respectiv, n

banda de valen. Acesta este cazul unui aa-numit semiconductor extrinsecdegenerat[10.1]-[10.7].

FCW FVW

Cele mai importante caracteristici ale diodelor laser sunt determinate dedimensiunile foarte mici (civa m ) ale acestor dispozitive precum i de

posibilitatea modulrii radiaiei prin varierea curentului. Pentru a descriefuncionarea unei diode laser homojonciune se consider jonciunea p-n avndgrosimea zonei active prezentat n fig. 10. 1.d

n zona activ de lime , numit i distana de confinare (deaproximativ 1

d m) se produce un numr suficient de mare de electroni i respectiv

goluri pentru ca dispozitivul s aib un ctig pozitiv. Dimensiunea zonei activeeste mai mic dect cea corespunztoare modului cmpului ( )dD > .

n cazul unei diode laser ctigul la prag se poate exprima n funcie decurentul prin diod. Valoarea de prag a curentului electric pentru inversia de

populaie ntr-o diod laser rezult dintr-un sistem de dou ecuaii asociate, irespectiv: condiia de prag la un parcurs complet al radia iei n cavitate i, relaiadintre amplificarea optici densitatea curentului electric de pompaj.

Conform condiiei de prag, intensitatea a radiaiei electromagnetice

rezultate prin emisia stimulat trebuie s rmn neschimbat dup un parcurscomplet al cavitii laser:

0I


2/20

Lasere cu semiconductoare 211

( )[ ]{ } 0210 12exp2exp ILLgRRI rap =+ (10.1)

unde i sunt reflectanele feelor polizate ale celor dou capete ale ghiduluide und semiconductor, este factorul de restrngere spaial a undeielectromagnetice n zona activ, reprezintamplificarea optic n unitatea de

volum a zonei active (ctigul), la pragul de oscilaie laser, este lungimeacavitii rezonante laser, este coeficientul intern de pierderi optice n zona

activ, iar

1R 2R

a

pg

L

r este coeficientul de pierderi optice n zonele de restrngere spaiala radiaiei.

Fig. 10. 1.Dioda laser homojonc

iune.

Ecuaia (10.1) poate fi rescris sub forma:

( )

++=

21

1ln

2

11

RRLg rap . (10.2)

Factorul de restrngere spaial optic are un rol determinant nproiectarea structurii oricrui laser cu mediu activ semiconductor. Acest parametrucaracterizeaz suprapunerea spaial dintre unda de emisie stimulat ghidat optici regiunea cu inversie de populaie, conform formulei:

+

+

=

zzE

zzEd

d

d)(

d)(2

2/

2/

2

(10.3)

n care: este lrgimea gropii cuantice (dimensiunea gropii pe direciad z decretere a straturilor semiconductoare), iar ( )zE este modulul intensitii cmpuluielectric al undei.

Considernd c densitatea de goluri n regiunea activ este mare, decidensitatea de electroni pe nivelul fundamental este suficient de mic pentru caabsorbia unui foton s poat fi neglijat, ctigulpoate fi scris sub forma:


3/20

OPTICINTEGRAT212

( ) ( )

SNn

A

g 22

2

8 (10.4)unde reprezint densitatea de electroni injectai n regiunea activ din banda

de conducie a semiconductorului de tip n , iar este rata emisiei spontanecorespunztoare recombinrii radiative. n centrul liniei laser, ctigul se poateexprima sub forma:

2N

A

( )0

222

2

08

n

ANg . (10.5)

n scrierea relaiei (10.4) s-a presupus c tranziia laser are un profil de tipLorentz i lrgimea .0 Ctigul la prageste dat de relaia:

21ln21 RRl

gt = (10.6)

n care: l este lungimea mediului activ, , sunt reflectivitile oglinzilor, iar

reprezint pierderile pe unitatea de lungime datorit altor efecte dect reflexiilepe oglinzile cavitii. Din condiia la prag

1R 2R

( ) tgg =0 se obine valoarea la prag

pentru densitatea de populaie de pe nivelul excitat sub forma:

( )

= 212

022

2 ln2

18RR

lA

nN

t. (10.7)

n general, la construcia diodelor laser nu se folosesc oglinzi pentru aobine efectul de reacie (feedback) ntruct indicele de refracie al materialuluieste suficient de mare pentru a determina fenomenul de reflexie total la interfaasemiconductor-aer. innd seama de formulele lui Fresnel n cazul incideneinormale, se poate calcula coeficientul de reflexie sub forma:

n

( )

( )2

2

1

1

+

n

nR . (10.8)

Aproximnd indicele de refracie al aerului cu unitatea i innd seama cn cazul GaAs 3,6 din relaia (10.12) se obine pentru coeficientul de reflexie al

oglinzilorvaloarea .

n

( ) 32,06,4/6,2 2 RPoliznd dou fee opuse ale diodei i lsndu-le pe celelalte dou rugoase

(astfel nct reflectivitile acestora s fie mici) oscilaia laser este favorizat de-a

lungul axei care unete feele polizate (fig. 10. 2).Densitatea de populaie a nivelului excitat se poate exprima cu ajutorul

densitii de curent prin diodJ. innd seama c pe unitatea de volum rata cucare electronii sunt injectai n regiunea activ este i c acetia suntabsorbii datorit proceselor radiative i neradiative cu rata total , n stare

staionar se poate scrie

edJ/

eR

2// NedJ eR= sau 2/NedRJ e= .Condiia de prag (10.10) poate fi scris cu ajutorul densitii de curent la

prag sub forma:


4/20


( )

= 2120

22

ln2

18

RRlA

R

ed

n

J

e

t . (10.9)

Fig. 10. 2. Reprezentare schematic a structurii mediului activ al diodei laser cu dublheterostructur de tip GaAlInP/GaInP/GaAlInP; cavitatea rezonant

laser este format din feele cristalului semiconductorperpendiculare pe planul jonciunii.

Relaia (10.13) nu ine seama de faptul c volumul modului este mai maredect volumul regiunii active de lime . Cu ct densitatea purttorilor de sarcinn regiunea activ este mai mare cu att indicele de refracie este mai mareobinndu-se o mai bun confinare a radiaiei n regiunea activ. Acest efect de

ghidare a radiaiei este destul de slab i deci radiaia are un volum corespunztorunui mod a crui lime este . Astfel, coeficientul de ctig efectiv este maimic dect cel dat de relaia (10.6) cu un factor

d

dD >Dd/ , iar densitatea de curent

corespunztoare pragului este mai mare dect cea dat de relaia (10.9), devenind:

( )

= 212

022

ln2

18RR

lA

ReD

nJ et . (10.10)

n cazul diodei laser cu GaAs pentru radiaia avnd 8400 indicele de

refracie este n 3.6, iar Hz. Raportul se mai numete i

eficien cuantic i reprezint fraciunea din numrul de electroni injectai care

sufer fenomenul de recombinare radiativ i este apropiat de unitate.Considernd c n cazul diodei laser cu GaAs =2

oA

130 10 eRA /

D m, =500 m i

=10 , se obine:

l

-1cm

. (10.11)2A/cm500tJ

n cazul unei jonciuni avnd aria curentul de prag

este .

2m250500 =lwA1lwJt


5/20

OPTICINTEGRAT214

Considernd eficiena cuantic intern i a diodei laser ca fiind

probabilitatea ca un purttor de sarcin electric injectat n zona activ s serecombine radiativ, puterea radiant a undei electromagnetice rezultate din

emisia stimulat se exprim prin:eP

= he

IIP

p

ie (10.12)

unde Ieste intensitatea curentului de injecie, este intensitatea curentului de

prag pentru oscilaia laser, este sarcina electric elementar, iarpI

e este frecvenaunghiular a radiaiei emise.

O parte din se disipeaz n cristalul semiconductor, iar restul constituie

puterea radiant laser,eP

P efectiv emis de dioda laser n exterior, prin feele

cristaline de reflectane i, respectiv, , ce constituie rezonatorul laser.1R 2RDac se noteaz cu coeficientul de absorbie total n cristalul

semiconductor al diodei laser (ce include a i r ), puterea radiant afasciculului laser se scrie sub forma:

( ) ( )( ) ( )RL

RL

e

IIP

pi /1ln/1

/1ln/1

+

= h (10.13)

unde s-a considerat .RRR == 21

10.1.2. Dioda laser cu dubl heterostructurO mbuntire a performanelor diodelor laser s-a realizat prin fabricarea

de medii active din material semiconductor cu dubl heterostructur.Heterostructura reprezint o jonciune ntre dou cristale semiconductoare cucompoziie chimic diferiti cu dopaje de tip diferit. Dubla heterostructur este ostructur format din trei straturi de material semiconductor, cele de la extremitiavnd formul chimic i conductivitate electric (dopaj) diferite fa de cel dinmijloc, care conine regiunea cu jonciunea activ, de exemplu GaAlInP/GaInP/GaAlInP (fig. 10. 2).

De asemenea, indicele de refracie al materialului central este mai maredect al straturilor laterale, ceea ce mijlocete ghidarea radiaiei rezultate dinemisia stimulat, prin zona activ a diodei.

Cele dou caracteristici eseniale ale unei duble heterostructurisemiconductoare, ca mediu activ laser, sunt:

- a) posibilitatea ghidrii undelor electromagnetice prin zona activ cuindice de refracie mai mare,

- b) posibilitatea realizrii inversiei de populaie cu un curent electric depompaj cu intensitate redus. Aceste proprieti fac ca o configuraie cu dublheterostructur (fig. 10. 3) s prezinte o mai mare eficien a generrii emisieistimulate, fa de dioda laser cu material omogen n zona activ. Materialelesemiconductoare cel mai des utilizate pentru fabricarea diodelor laser cu dublheterostructur sunt combinaii de tipurile sau .VIIIBA VIIVBA


6/20


O configuraie practic pentru obinerea inversiei de populaie ntr-un

mediu activ semiconductor este aceea a unei diode cu jonciune p-n n careregiunile p i n sunt obinute prin doparea pn la degenerare a aceluiai cristalsemiconductor. Cvasinivelul Fermi al materialului de tip p se afl n banda devalen, iar acela al materialului de tip n n banda de conducie. n absena uneidiferene de potenial electric la bornele diodei, cele dou cvasinivelurile Fermicoincid (condiia de echilibru termodinamic).

Fig. 10. 3. Structura de benzi a unei duble heterostructuri; a) la echilibru, b) la prag.

La aplicarea unei diferene de potenial V , acestea se separ printr-uninterval energetic eV (unde e este sarcina electric elementar). n zona desarcin spaial a jonciunii se produce o inversie de populaie ntre electroni i

goluri. Acest fenomen face posibil amplificarea radiaiei prin emisie stimulat, larecombinarea radiativ dintre un electron i un gol.

Indicele de refracie al majoritii materialelor semiconductoare, pentrulungimile de und ale emisiei acestora, este suficient de mare astfel nct, lainterfaa semiconductor/aer, coeficientul de reflexie pentru radiaia emis s aibvalori ridicate pentru a determina formarea unei caviti Fabry-Prot pe feelecristalului perpendiculare pe direcia emisiei. n multe tipuri de diode laser de mic

putere, nu este necesar nici lefuirea nici depunerea de straturi reflectoare pecapetele mediului activ, ntruct clivajul cristalului dup planuri atomice determinfee cu suprafee foarte netede. Acestui tip de configuraie de cavitate rezonantlaser i se aplic teoria general a rezonatoarelor.

10.1.3. Diode laser cu gropi cuantice

n figura 10. 2 regiunea activ de GaInP mrginit de fiecare parte deGaAlInP n cazul unei duble heterojonciuni acioneaz ca o capcan de electroni igoluri. Dac grosimea regiunii active este micorat pn la o valoare

, electronii i golurile confinate manifest efecte cuantice, energiilecuantificate i funciile de und ale acestora fiind determinate n mod special dedistana de confinare, , laserele astfel obinute numindu-se lasere cu gropi

oA200


7/20

OPTICINTEGRAT216

cuantice (Quantum Well-QW). Aceleai efecte se manifesti n cazul structurii de

tip Al Ga As/GaAs/ Al Ga As cux x1 x x1 3,0~x (fig. 10. 4).

Fig. 10. 4. Reprezentarea schematic a laserului de tip

Al Ga1 As/GaAs/Al Ga As.x

~

x

oA

x 1

gW

emm =*

x

Groapa cuantic ntr-o astfel de structur corespunde unui strat foarte

subire de semiconductor cu o band interzis situat ntre dou

regiuni semiconductoare avnd banda interzis . Regiunea cu band

interzis se comport ca o groap cuantic de potenial att pentru electroni

ct i pentru goluri, dac diferena ntre benzile de conducie i de valen esteconvenabil mprit ntre cele dou materiale, iar densitatea de stri permisedevine o funcie treapt n locul celei de tip parabolic ca n cazul materialuluimasiv, acesta fiind un efect cuantic de dimensiune. Dependena de distan aindicelui de refracie i a cmpului optic pentru structura amintit anterior este

prezentat n figura 10. 5.

100 1gW

1g2 W>

1gW

Micarea electronilor cu masa n banda de conducie, BC

(fig. 10. 4) caracterizat de funcia de energie potenial ( )rV v poate fi descris cuajutorul unei funcii de tip anvelop ( )rv , (normat pe volumul cristalului) careverific ecuaia Schrdinger [10.7]:

( ) (rWVrme

rrh + 222

( ) ( )rr = )rr . (10.14)

Considernd c electronii se mic dup axa , (dup axelez x i

acetia rmnnd liberi) i c

y

( ) ( )zVr =r

V soluia ecuaiei (10.14) este de forma:

( ) ( )zkxkr xkn = iexp Zy ny+r

r , (10.15)

( xkk ,=r

)ykn care: reprezint numrul cuantic, iarn . Pentru a calcula funciase nlocuiete soluia (10.15) n ecuaia (10.14)(zZn )


8/20


( )

( ) ( ) ( )zZmk

WzZzVz

zZ

m nen

n

e

=+ 2d

d

2

22

2

22hh

(10.16)

n care: 22 yx kkk += .

Fig. 10. 5. Profilul indicelui de refracie i al cmpului optic n cazul structurii

de tip Al Ga As/GaAs/Al Ga As.x x1 x x1

Funcia este normat pe lungimea cristalului, n direcia .

Considernd un potenial de forma:

( )zZn zL z

( )( )

==

=

,,0pentru,

,0pentru,0

Lzz

LzzV (10.17)

(dei n cazurile reale lrgimea benzii interzise este de ordinul eV, aceastaproximaie fiind grosolan) din ecuaia (10.26) se obin funciile proprii

( )L

zn

L

LzZ zn

= sin

2(10.18)

i valorile proprii

( )eee

en

en

m

k

L

n

mm

kWkW

222

222222hhh

+

=+= (10.19)

unde este un numr ntreg pozitiv. Confinarea n interiorul gropii cuanticedetermin apariia unei benzi energetice cu structura dat de relaia (10.19), unde

ia valori discrete, acestea fiind determinate de

n

enW ( )zV . Pentru fiecare valoare a

numrului exist o dependen parabolic a valorii proprii de ,

(curbele de dispersie), cu un minim n (fig. 10. 6). Valoarea proprie a energiei

i funcia proprie asociat determin o sub-band energetic

electronic . n figura 10. 7 sunt prezentate i

n

n

( )kWen ke

nW

(Wen )k

( )z WZ1 i .e

1

Densitatea de stri permise n cazul unui semiconductor cu gropi cuanticedevine o funcie de tip treapt n loc s fie de tip parabolic ca n materialul masiv(fig. 10. 6).


9/20

OPTICINTEGRAT218

Modelul teoretic prezentat anterior n cazul electronilor poate fi aplicat i

golurilor din banda de valen, BV (fig. 10. 4) cu masa , energia golurilor(msurat de la marginea benzii de conducie n jos) fiind de forma

(10.19) unde se nlocuiete cu

gm

( )kWgnenW

22

2

+=

L

n

mWW

g

ggn

h, (10.20)

gW reprezentnd energia interzis a gropii cuantice. n figura 10. 4

corespunde valorii . Funciile de tip anvelop pentru goluri sunt identice cu

cele corespunztoare electronilor i determin mpreun cu valorile proprii ale

energiei osub-band energetica golurilor .

gW

1gW

n

Fig. 10. 6. Curbele de dispersie corespunztoare primelor trei sub-benzi electronicen cazul gropii cuantice din figura 10. 4.

n cazul cnd limea gropii cuantice, este foarte mare valorileLL

n

formeaz un spectru cvasicontinuu, iar relaiile (10.18) i (10.19) corespundmicrii unor electroni liberi.

Fig. 10. 7. Reprezentarea densitii de stri a sub-benzii electronice n funcie de energie ncazul gropii cuantice din figura 10. 4, curba a) i n cazul materialului masiv, curba b).


10/20


n cazul unui laser cu gropi cuantice condiia de pragpentru emisia laser

este dat de relaia:21ln2

1RR

lg += , (10.21)

n care:

2

224

= rr

nnL(10.22)

este factorul de restrngere spaial optic, ( fiind indicele mediu de refracie

corespunztor zonei active,rn

rn diferena indicilor de refracie corespunztoriregiunilor ghidului), l este lungimea mediului activ, , sunt reflectivitile

oglinzilor cavitii, iar reprezint pierderile pe unitatea de

lungime datorit altor efecte dect reflexiile pe oglinzile cavitii. n figura 10. 8este prezentat structura unei diode laser cu gropi cuantice de tipInGaAs/GaAs/AlGaAs, (regiunea activ fiind In Ga As), care emite radiaia

fundamental cu lungimea de und

1R

8,0

2R-1

0,96

-1cm cm10010

2,0

m= i armonica a doua cu[10.7].m0,48 =

Fig. 10. 8. Reprezentarea schematic a laserului cu gropi cuantice de tipInGaAs/GaAs/AlGaAs.

n general, lungimile de und de emisie sunt: m1,6m2,1 = pentrustructura de tip InGaAsP i m0,9m65,0 = pentru cea de tip AlGaAs.

Pe baza efectului cuantic de dimensiune n cazul heterostructurilor cuconfinare separat (Separate Confinement Heterostructure-SCH) este posibilselectarea lungimii de und de emisie prin ajustarea grosimii zonei active.

n ultimii ani au fost fabricate structuri de tip pictur cuantic (QuantumDot-QD) n materiale dielectrice izolatoare care conin materiale semiconductoaresau metalice cu dimensiunile nm255,2 .


11/20

OPTICINTEGRAT220

n cazul acestor structuri (de exemplu CdS, CdSe etc.) structura benzii

energetice a materialului din pictur este relevant n structura sa electronic, iarelectronii sunt confinai dup toate cele trei direcii. Spectrul de absorbie esteformat dintr-o serie de linii largi.

Considernd o pictur de forma unui cub cu latura mrginit de barierede potenial de nlime infinit, iar pictura i materialul izolator care o nconjoarau volumul , strile unui electron pot fi descrise cu ajutorul unei funcii de tip

anvelop monoelectronice de forma:

L

pV

( )L

zm

L

yl

L

xn

LVr pnlm

= sinsinsin2

3

(10.23)

crora le corespund valorile proprii ale energiei

e

enlm

mmln

LW

2

2222

++

= h , (10.24)

unde sunt ntregi pozitivi.mln ,,n cazul golurilor funciile de tip anvelop sunt cele date n relaia (10.23),

iar energiile corespunztoare sunt:

g

ggnlm

m

mln

LWW

2

2222 ++

+=h

. (10.25)

n picturile cuantice metalice exist numai stri electronice.

10.1.4. Diode laser cu gropi cuantice multiple

n cazul unei structuri cu un numr mare de gropi cuantice (MultipleQuantum Well-MQW) fiecare groap contribuie la creterea ctiguluiobinndu-se astfel unul maxim dorit. Dimensiunile gropilor cuantice sunt de

civa zeci de (fig. 10. 9).oA

Fig. 10. 9. Reprezentarea schematic a laserului cu gropi cuantice multiple

de tip (Al Ga ) In P avndx x1 5,0 5,0 m0,626 = .

Raportul dintre ctigurile unui laser cu N gropi cuantice, i

respectiv unul cu o singur groap cuantic, estre dat de relaia:Ng

g


12/20


( ) ( )nfnfN

nf

N

nfN

g

g

vc

vcN

,,

,,

= (10.26)

n care:eL

In

= reprezint densitatea purttorilor n laserul cu o singur groap

cuantic, I este intensitatea curentului, este sarcina electronului, limeagropii i este timpul de via al electronilor.

e L

Puterea la ieire a diodelor laser cu gropi cuantice multiple este limitat dedegradarea catastrofic a oglinzilor ca urmare a absorbiei luminii pe feelestructurii. Un interes deosebit l prezint structurile care emit n domeniullungimilor de und m1,6m9,0 = ntruct acestea sunt utilizate n

comunicaiile prin fibr optic, fibrele avnd pierderi mici i dispersii bune ndomeniul amintit.

10.1.5. Lasere cu semiconductoare cu emisie verticalPerformanele heterostructurilor pompate electric sunt limitate de pierderile

optice i de nclzirea dispozitivului, aceasta rezultnd n urma trecerii curentuluiprin dispozitiv. O alternativ la obinerea efectului laser prin injecia de curent oreprezint pompajul optic. Prin utilizarea pompajului optic al purttorilor direct nregiunea activ se reduce nclzirea dispozitivului i crete temperatura de operare.

Pe baza celor prezentate anterior s-au fabricat lasere cu semiconductoarecu emisie vertical (Vertical-Cavity Surface-EmittingLasers-VCSEL ). Pompajuloptic al unui laser cu semiconductoare cu emisie vertical poate fi realizat i cu

ajutorul unei diode cu arie de emisie mare care opereaz la lungimea de und980 nm, lungimea de und a emisiei laser fiind de 1,55 m (fig. 10. 10).

Fig. 10. 10. Structura unui laser cu semiconductoare cu emisie vertical.

Regiunea activ a laserului cu semiconductoare cu emisie vertical esteformat din 6 diode laser cu gropi cuantice multiple de tip InGaAsP/InGaAsP.Radiaia de pompaj provenit de la dioda laser este focalizat pe regiunea activ cuajutorul unei lentile. ntre lentili zona activ exist un substrat de GaAs i 31 de


13/20

OPTICINTEGRAT222

substraturi GaAs cu reflectoare Bragg distribuite. La ieirea din zona activ sunt

dispuse 22 de substraturi GaAs cu reflectoare Bragg distribuite. Zona activ izonele adiacente sunt fuzionate.Laserul cu semiconductori cu emisie vertical prezentat poate fi cuplat

direct cu o fibr optic. n cazul regimului de lucru monomodal la temperaturacamerei puterea maxim a laserului la ieire este de 195 mW, la ieirea din fibra

optic de 1,95 mW, iar la temperatura de 125 C puterea maxim a laserului laieire este de 75 mW, aceste valori fiind de patru ori mai mari dect n cazul cndlaserul este pompat electric.

o

Cavitatea semiconductoare cu emisie vertical poate funciona i caamplificator utiliznd o cavitate format din dou reflectoare Bragg distribuitenedopate de tip GaAs/Al Ga As fuzionate cu o zon activ format din trei

straturi de GaAs.

99,0 01,0

10.2. Mecanisme de realizare a inversiei de populaie nlaserele cu semiconductoarentr-un cristal semiconductor, niveluri energetice posibile ale electronilor

n cristal sunt distribuite n banda de valen (BV) i n banda deconducie (BC),benzi energetice separate printr-o band interzis de pn la ~3 eV (fig. 10. 11).

Fig. 10. 11. Benzile energetice pentru jonciuneap-n polarizat direct.

10.2.1. Excitarea prin injecieProbabilitile de ocupare a nivelurilor energetice W ale electronilor n

banda de conducie i banda de valen sunt caracterizte prin funciile de distribuieFermi-Dirac, particularizate pentru fiecare band energetic n parte:

,1exp

1

+

=

kT

WWf

Fcc (10.27)

n banda de conducie i


14/20


1exp

1

+

=

kTWW

fFv

v , (10.28)

n banda de valen, unde T este temperatura termodinamic a cristaluluisemiconductor, iar este constanta Boltzmann.k

Utilizarea jonciunilor np pentru crearea inversiei de populaie n urmaexcitrii prin injecie constituie metoda cea mai rspndit pentru fabricareadiodelor laser.

Dac jonciunea este polarizat direct, electronii sunt injectai n zona detip p a dispozitivului, iar golurile n zona de tip n, crendu-se un exces de

purttori peste valoarea de echilibru, care determin inversia de populaie necesaremisiei stimulate. Absorbia de radiaie electromagnetic (fig. 10. 12) ntr-un astfel

de semiconductor are loc la tranziia unui electron de la un nivel energetic dinbanda de valen la un nivel din banda de conducie, sub influena radiaiei;

probabilitatea unei astfel de tranziii este, n virtutea principiului de excluziunePauli, proporional cu produsul

1W

2W

( ) ( )21 1 WfW vvf dintre probabiltatea de a avea

un electron pe nivelul iniial i probabilitatea de a avea o lips de electron pe

nivelul final .1W

2W

n mod analog, emisia stimulat de radiaie electromagnetic (fig. 10. 12)poate avea loc, pentru respectarea legii conservrii energiei, la o tranziie invers aelectronului ntre aceleai dou niveluri, sau, altfel spus, la recombinareaelectronului cu golul, cu probabilitatea ( ) ( )[ ]21 1 WfWf vc .

Fig. 10. 12. Procesele de absorbie i emisie stimulat n cazul unui semiconductorcu band interzis direct.

n cazul modelului prezentat anterior mprtierile purttorilor n interiorulbenzilor implicate au loc mai rapid n comparaie cu procesele de recombinareband-band, strile din interiorul benzilor putnd fi considerate la echilibru.


15/20

OPTICINTEGRAT224

Condiia de obinere a regimului de emisie stimulat ntr-un semiconductor

degenerat, la interaciunea cu radiaia electromagnetic, este ca probabilitatea deproducere a unei emisii la tranziia ntre nivelurile energetice din banda deconducie i, respectiv banda de valen, s fie mai mare dect probabilitatea deabsorbie ntre aceleai dou niveluri:

[ ] [ ]cvvc ffff 11 , (10.29)adic:

(10.30)vc ff ceea ce nseamn realizarea unei inversii de populaie ntre electronii din banda deconducie i golurile din banda de valen.

Conform realaiilor (10.27), (10.28) i (10.30), inversia de populaie ntrenivelurile considerate ale materialului semiconductor se realizeaz n cazul cnd:

kTWW

kTWW FvFc 12 expexp . (10.31)

ntruct este expresia cuantei de energie electromagnetic

emis prin aceast tranziie (unde este frecvena radiaiei), atunci condiia (10.30)se poate scrie sub forma:

12 WWh =

= hWWW FvFc . (10.32)

10.3. Diode emitoare de luminn telecomunicaiile optice ca surse mai sunt folosite i diodele emitoare

de lumin (L ightEmittingDiodes-LED).Radiaia provenit de la o astfel de diod este incoerent i este emis

ntr-un domeniu larg att al lungimilor de und (800 nm 1550 nm) ct i alunghiurilor.

n cazul unei diode np homojonciune cea mai mare parte a radiaieirezultate n urma procesului de recombinare este generat n interiorul unui volumdin semiconductor avnd dimensiunea liniar proporional cu lungimea de difuzien timp ce n cazul unei heterostructuri duble radiaia este generat n interiorulstratului activ. Radiaia este emis n ambele cazuri n toate direciile. Eficienacuantic este determinat de raportul dintre numrul de fotoni emii de materialulsemiconductori numrul de purttori care trec prin jonciune.

Cu aproximaie destul de bun se poate considera c puterea emis de LEDeste proporional cu curentul prin diod dei exist o tendin de saturaie la puteri

mari odat cu creterea temperaturii. Rata de modulaie este limitat la aproximativ100 MHz.O diod emitoare de lumin este astfel fabricat nct la o anumit

valoare de prag a curentului mecanismul de generare a luminii se modific. Lavalori mici ale curenilor radiaia luminoas este produs n urma emisiilorspontane. n apropierea pragului radiaia luminoas emis este dominat de emisiastimulat. Ca urmare a acestui fapt radiaia emis devine mai direcional, maicoerenti spectrul su se prezint sub forma unei sau unor linii foarte nguste.

Att valoarea de prag a curentului ct i spectrul sunt foarte sensibile lavariaiile de temperatur i se pot modifica n funcie de condiiile mediului


16/20


nconjurtor sau n timpul operrii n impulsuri sau la valori mari ale puterii emise.

Printre avantajele pe care le prezint aceste dispozitive se numr aria emisiv maimic dect a diodelor laser precum i o frecven de modulaie utilizabilmai mare.

Pentru fabricarea diodelor LED se utilizeaz semiconductoare de tipGaAsP sau GaP dopate cu N sau ZnO (fig. 10. 13).

Fig. 10. 13. Schema unei diode LED.

Dei puterea unei diode LED de tipul celor prezentate crete cu 50% la

creterea temperaturii de la 90 C la 100 C temperatura jonciunii se menine la

60 C 70 o C. Cu ajutorul diodelor LED se poate cupla o radiaie luminoas cuputerea de civa W ntr-o fibr optic avnd diametrul de 50

o o

o m i o apertur

numeric de 0,17.Pentru a transforma diodele emitoare de lumin n lasere trebuie ca

inversia de populaie s ating valoarea de prag, iar pe fee s fie adugate oglinzi.

10.4. Fabricarea dispozitivelor cu heterojonciuniExist mai multe tehnici de fabricare a dispozitivelor cu heterojonciuni:

epitaxia n faz lichid, epitaxia n faz gazoas, epitaxia prin jet molecular,depunerea chimic a vaporilor organo-metalici etc.

Epitaxia n faz lichid (L iquidPhase Epitaxy-LPE)) este tehnica cea maide utilizat i pe baza acesteia au fost realizate primele lasere cu dublheterostructur. n cazul acestei metode materialul care urmeaz a fi depus esteintrodus ntr-o cuv (de grafit) cu solvent (de exemplu Ga pentru GaAs/GaAlAs) iapoi ntr-un cuptor la o temperatur corespunztoare echilibrului lichid-solid al

soluiei ( )C850~ o . Scznd lent i controlat temperatura ( )min/C2,0~ o prindeplasarea cuvei pe substrat se depune (cristalizeaz) un strat din materialulsolventului a crui grosime variaz ntre civa m i civa zeci, funcie devariaia temperaturii i timpul n care se desfoar operaia. Introducnd succesivsubstratul n mai multe soluii se poate realiza o structur de tipsandvici a pturilorcorespunztoare heterojonciunii (fig. 10. 14).

Dei aceast metod este relativ simpl este destul de dificil controlulasupra reproductibilitii n cazul cnd se depun mai multe straturi pe plci

epitaxiale cu dimensiuni mai mari de civa cm . De asemenea, automatizareaacestor procese este destul de greu de realizat.

2


17/20

OPTICINTEGRAT226

n cazul epitaxiei n faz gazoas (VaporPhase Epitaxy-VPE) straturile

epitaxiale sunt depuse pe substrat n urma reaciei cu vapori de halogenuri sauhidruri. Aceast metod este utilizat n cazul unor structuri avnd suprafeele de

civa zeci de . Dei este des utilizat pentru producerea structurilor de tipGaAsP, GaAs, a tranzistoarelor cu efect de cmp, aceast metod nu poate fiextins la fabricarea GaAlAs, a heterostructurilor de tip GaAlAs/GaAs i a celorabrupte pentru c n regiunea activ compoziia gazelor nu poate fi schimbat

brusc.

2cm

Fig. 10. 14. Reprezentarea schematic a epitaxiei n faz lichid.

Epitaxia prin jet molecular (MolecularBeam Epitaxy-MBE) se aplic maiales compuilor de tipul (de exemplu, n cazul fabricrii laserului cu

GaAl/As/GaAs) i const n evaporarea separat a elementelor n ultravid nvederea obinerii compoziiei cerute pentru strat. Prin utilizarea acestei metode se

pot obine straturi foarte subiri avnd grosimi pn la civa zeci de .

VIIIBA

oA

n cazul depunerii chimice a vaporilor organo-metalici (Metal-OrganicChemicalVaporDeposition-MOCVD) se utilizeaz vapori organometalici de tipul:trietil de galiu, , dietil de zinc( 352HCGa ) ( )252HCZn

VIIIBA

pentru depunerea

elementelor din grupa III i a dopanilor acestora precum i vapori organometalicide tipul hidrurilor, , , pentru depunerea elementelor din grupa

a V-a i a dopanilor acestora. Cu ajutorul acestei metode pot fi obinute straturisubiri pentru majoritatea compuilor de tipul . n camera de reacie la

presiunea atmosferic sau mai mic cu 10% substratul plasat pe un suport de grafit

acoperit cu carbur de calciu este meninut la temperatura de 500 C prin nclzirecu ajutorul unei bobine de inducie de radiofrecven (fig. 10. 15).

3AsH PH3 SH2

o

Pentru depunerea compuilor amintii se utilizeaz un curent de hidrogen,rata de depunere fiind de m/h5m/h2 . Cu ajutorul acestei metode se potdepune straturi de material foarte pur avnd grosimea de 20 nm sau mai mic.


18/20


10.5. Modularea direct prin curent a laserelor cu

semiconductoareUna dintre cele mai importante aplicaii ale laserelor cu semiconductorieste ca surs optic n telecomunicaiile optice. Modularea semnalului laser cuvitez mare n vederea obinerii unor rate de informaii ridicate este de mareimportan tehnologic i se poate realiza prin variaia curentului de alimentarecare produce variaia puterii emise aproape instantaneu. Astfel, fasciculul de ieire

poate fi modulat n amplitudine pn la frecvene de ordinul sutelor de MHz.

Fig. 10. 15. Reprezentarea schematic a metodei de depunere chimic avaporilor organometalici.

10.5.1. Lasere cu semiconductoare cu gropi cuantice multimodale imonomodale

Laserele cu semiconductoare oscileaz n cele mai multe cazurimultimodal (fig. 10. 16 a) pentru c odat cu creterea curentului de injecie(pompajului) electronii, (care n mod natural fiind descrii de statistica Fermi-Diracnu pot ocupa mai mult dect o stare proprie) ncep s ocupe i strile adiionaledeterminnd lrgirea spectrului radiaiei de recombinare (fig. 10. 16 b) i

posibilitatea oscilaiei multimodale. Mecanismele care determin variaia ctiguluiunui mod n prezena altora sunt depopularea selectiv a nivelurilor energetice ioscilaia populaiilor [10.2], [10.4].

a) b)

Fig. 10. 16. Reprezentarea oscilaiei : a) multimodale i b) a spectrului radiaiei derecombinare pentru diferite valori ale curentului de injecie, I.


19/20

OPTICINTEGRAT228

n figura 10. 17 este prezentat spectrul multimodal al emisiei laser

corespunztor heterostructurii cu gropi cuantice de tip InGaAs/GaAs/AlGaAspentru opt valori ale curentului de injecie, cel corespunztor pragului fiind~16 mA. n cazul unei caviti de lungime care conine un mediu activ cuindicele de refracie distana dintre dou moduri adiacente, poate fi

calculat difereniind relaia

Ln

nmL

2

= , din care rezult:

+

=

d

d22

d

d2

nLLm, (10.33)

astfel c n cazul cnd este foarte marem

=

dd12

2

nn

nL

. (10.34)

Fig. 10. 17. Spectrul de emisie al heterostructurii de tip InGaAs/InGaAsP pentru opt valoriale curentului de injecie, curentul corespunztor pragului ~16 mA.

n stare staionar se poate calcula intensitatea modului sub forma:

( 12

2-

Q

Qg

I mmm

m

m N

m

m

=

= ) , (10.35)


20/20


n care:

=mN Qgmm 2 (10.36)

reprezint excitaia relativ.n telecomunicaiile optice este necesar ca numrul de moduri s fie

limitat, adesea la un mod. Operarea monomodal stabil se poate face utiliznd:caviti cuplate, reacia selectiv a frecvenei, injecia blocat i geometriacontrolat a cavitii.

Cuplajul cavitilor se poate realiza n mai multe feluri: cavitate cuplattiat, cavitate cu oglind extern, cavitate cuplat cu an i prin interferen netalon integrat. Selecia lungimii de und ntr-un laser cu cavitate cuplat se poateface pe lng controlul asupra curentului i temperaturii prin: reea extern,reflector Bragg distribuit i reacie distribuit.

Date post:	14-Apr-2018
Category:	Documents
Upload:	nadea-doncenco
View:	249 times
Download:	0 times

Lasere Cu Semiconductoare

Documents