Полупроводниковые ОКГ

Полупроводниковые (ПП) ОКГ имеют ряд достоинств перед другими лазерами:

− компактность, простота и технологичность конструкции (общие размеры –единицы миллиметров);

− высокий КПД (десятки процентов без охлаждения);

− широкий диапазон излучаемых длин волн (от УФ до ИК);

− возможность плавной перестройки в диапазоне частот (за счет изменения ширины запрещенной зоны или за счет дифракционной решетки);

− малая инерционность и возможность импульсной модуляции короткими импульсами (доли нс) с частотами до единиц ГГц.

К недостатком ПП ОКГ можно отнести:

− малые выходные мощности (единицы – сотни ватт в импульсе, десятки ватт в непрерывном режиме при охлаждении);

− чувствительность к перегрузкам по току и перегреву;

− необходимость глубокого охлаждения при повышенных мощностях генерации.

Индуцированное излучение в ПП ОКГ возникает при наличии в полупроводнике (ПП) состояния инверсной населенности (населённость в распо-ложенной выше по энергиям электронов зоне проводимости должна быть больше, чем в расположенной ниже запрещенной зоны валентной зоне). Частота квантов будет соответствовать энергетической ширине запрещенной зоны. Индуцирован-ные переходы возникают после спонтанных (люминисценции) при наличии опти-ческого резонатора как устройства положительной обратной связи. В ПП ОКГ в качестве зеркал резонатора используются гладкие границы раздела «полупровод-ник-воздух». Если такого резонатора не сделано, то полупроводник будет излу-чать широкую линию излучения и работать как светодиод.

Инверсную населенность в ПП можно получить несколькими способами:

− путем воздействий на ПП пучком электронов, что достаточно сложно и дорого;

− использованием внешнего источника тока для ПП в виде р-п-гомоперехода, включаемого в прямом направлении (рис. 10.13, а); гомопереходы имеют одина-ковую ширину запрещенной зоны для п- и р-полупроводника; инверсная населен-ность в них создается при прямом токе I_Д за счет притока электронов в п-ПП и «дырок» в р-ПП и образования на границе р- и п- ПП двух уровней Ферми и зоны инверсии при I_Д>I_{Д порог};

− включением внешнего источника тока к ПП в виде р-п-гетероперехода с разной шириной запрещенной зоны у п- и р-полупроводника; в этом случае облегчается создание инверсии: происходит «переливание» электронов из п-полу-проводника в зону проводимости р-полупроводника, когда за счет внешнего источника тока уровень Ферми W_Fn в ПП типа «п» поднимается выше потенциального барьера (рис. 10.13, б) Напомним, что вероятность нахождения электронов на уровне Ферми равна р = 0,5, выше р < 0,5, а ниже р > 0,5. Этот тип ПП ОКГ был предложен в СССР академиком Ж.И. Алферовым.

Для получения р-п-гетеропереходов применяют разные материалы с похожей кристаллической решеткой (например, пáры GаАs – GаР, GаАs – АlGаАs и др.). Для изменения цвета свечения в полупроводники включают некоторые добавки (металлы), изменяющие ширину запрещенной зоны (например, ZnS+Аg – голубое излучение, ZnS+Си– зеленое свечение и т.п.).

а) б)

Рис. 10.13. Схемы создания инверсной населенности в р-п-гомопереходе (а)

и в р-п-гетеропереходе (б)

Конструктивно ПП ОКГ и, в частности оптический резонатор L, имеют размеры доли миллиметра. Резонатор образуется между полированными парал-лельными торцами ПП. В цепь с источником тока обычно включается и ограничительный резистор. Для сужения угла излучения из р-п-перехода исполь-зуется линза (рис. 10.14, а). Коэффициент преломления полупроводника достаточ-но велик (п = 3÷4).

а) б)

Рис. 10.14. Схема конструкций ПП ОКГ (а) и ПП ОКУ (б)

Для канализации излучения в узком угле прилегающие тонкие слои р- и п-ПП делают с добавками специальных компонент, немного изменяя коэффи-циент преломления п и создавая тем самым тонкий световод.

Внешний квантовый выход люминисценции η_W зависит от внутреннего квантового выхода люминисценции η_К и коэффициента К_ПП, учитывающего переотражение и поглощение фотонов в ПП ( ). КПД люминисценции η_изл , где е – заряд электрона, U_ист – напряжение на диоде. Экспериментально η_изл = , где Ф– световой поток из ОКГ, Р₀=U_истI_Д – потребляемая мощность.

Генерируемая мощность в ПП ОКГ зависит от разности токов

[I_Д – I_{Д порог} (t°)] ,

где I_{Д порог} – пороговый ток, при котором начинается генерация, I_Д – рабочий ток диода. I_{Д пор} снижается при охлаждении ПП, поэтому и возрастает мощность излучения.

При охлаждении ПП жидким гелием плотность тока через ПП достигает 1 кА/см², КПД – 80 %, мощность излучения – десятки ватт в непрерывном режиме. При электронно-лучевой накачке получены мощности до 1 МВт/имп. Все современные системы связи через ВОЛС используют ПП ОКГ.

Аналогично устроены и ПП ОКУ, у которых на торцах помещают четвертьволновые согласующие слои для исключения отражения квантов света (рис. 10.14, б), как это сделано на диэлектрическом зеркале (рис. 10.2).