Diody świecące i lasery półprzewodnikowe

Od poziomów energetycznych w atomie do pasm energetycznych w krysztale

Energia

Pasma energetyczne

Poziom 1

Poziom 2

Odległość atomów

Pasmo, czyli zbiór poziomów energetycznych

elektrondziura

Energia

Złącze p-n

What is a Diode?

Złącze p-n

• Złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia

• Energia emitowanego promieniowania pochodzi z rekombinacji pary dziura–elektron w półprzewodniku

• Elektron i dziura spotykając się w obszarze złącza mogą ulec rekombinacji promienistej - energia w całości lub większej części jest przekazywana fotonowi i wraz z nim wypromieniowana

kierunek przepływu prądu

P N

+ –

kierunek ruchu elektronów

Krzem i jego własności

How Semiconductors Work

Typ n

„wolny” elektron„wolny” elektron

Pasmo walencyjne

Pasmo przewodzenia

Poziomy donorowe

Typ p

Pasmo walencyjne

Pasmo przewodzenia

Poziomyakceptorowe

Dziura

Dziura

Homozłączowe diody DEL

Powierzchniowa dioda elektroluminescencyjna

Dioda superluminescencyjna

Rodzaj półprzewodnika decyduje o długości emitowanej fali

Materiał Długość fali [μm]

AlGaInP 0,65-0,68

Ga0,5In0,5P 0,67

Ga1-xAlxAs 0,62-0,9

GaAs 0,9

In0,2Ga0,8As 0,98

In0,73Ga0,27As0,58P0,42 1,31

In0,58Ga0,42As0,9P0,1 1,55

Rezonator

Moc emitowana przez laser półprzewodnikowy od prądu

• Dla zainicjowania akcji laserowej prąd zasilający musi mieć odpowiednią wartość zwaną prądem progowym I

• Zmiany natężenia prądu zmieniając ilość wstrzykiwanych nośników przekładają się na modulację natężenia emitowanego światła

Moc świetlna

Natężenie prądu

Emisja wymuszona

Emisja spontaniczna

Prąd progowy

Charakterystyki widmowe lasera półprzewodnikowego

• poniżej progu wzbudzenia– dioda elektroluminescencyjna

• powyżej progu wzbudzenia– dioda laserowa

0,851 0,849 0,847 0,845 0,843 0,841 0,839

dioda elektroluminescencyjna

dioda laserowa

= 0,15 [nm]

= 4,5 [nm]

[m]

Geometria wiązki lasera pp

45o

9o

Laser z emisją krawędziową, z rezonatorem Fabry-Perota

Britney's Guide to Semiconductor Physics

Pasma dla heterostruktury NpP (n+pp+) AlGaAs/GaAs/AlGaAs

Lasery o właściwościach wyznaczonych przez wzmocnienie optyczne

• W laserach tych prąd jest wstrzykiwany jedynie w wąskim pasku. Takie lasery są nazywane laserami o geometrii paskowej

• Wstrzykiwanie to powoduje zmienny rozkład nośników w płaszczyźnie złącza, z maksimum w środku paska, pokrywającym się, z maksimum wzmocnienia optycznego

Rejon dyfuzyjny typu p

n - AlGaAs

Warstwa aktywnap - GaAs

p - AlGaAs

n - AlGaAs

n - GaAs

+

–

Lasery, z prowadzeniem światła jest przez odpowiednie ukształtowanie współczynnika

załamania

• Falowód ten jest wykonany przez wprowadzenie odpowiednich skokowych zmian współczynnika załamania

• W tych laserach obszar, w którym prowadzone jest światło, określono przez uformowanie falowodu wzdłuż złącza

Kontakt

SiO2

Warstwa aktywnalnGaAsP

p - lnP

n - lnP

n+ - lnPPodłoże

SiO2

Lasery z wieloma studniami kwantowymi (MQW)

~>hf

Rejon aktywnyBariera

Pasmo przewodzenia

Pasmo walencyjne

Lasery z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym i odbiciem Bragga

Warstwa aktywna

p

n

Siatka

Warstwa aktywna

p

nDBR DBR

DFB DBR

Trzysekcyjny laser DBR

Sterowanie fazą p - lnP

Warstwa aktywna

Siatka

Falowód

n - lnP

IA IP IG

Najnowsze osiągnięcia i konstrukcje

• Lasery VCSEL (vixel)

• Lasery niebieskie

Różne typy laserów typu VIXEL

Britney's Guide to Semiconductor Physics

Metalic Reflector VCSEL

Etched Well VCSEL

Air Post VCSEL

Burried Regrowth VCSEL

Podsumowanie• Lasery półprzewodnikowe, ciągle udoskonalane, obejmujące

coraz szerszy zakres widma częstości i generujące promieniowanie nawet o znacznych mocach stanowią prawdziwy przełom w technice laserowej

• Są produkowane masowo i stosowane w wielu powszechnie używanych urządzeniach

• Dzięki takim zaletom, jak małe wymiary, łatwość modulacji emitowanego promieniowania, niezawodność pracy i proste zasilanie znalazły szerokie zastosowanie jako źródło modulowanego promieniowania w telekomunikacji światłowodowej

• W sprzęcie powszechnego użytku stosuje się lasery w odtwarzaczach i napędach optycznych przy odczycie informacji optycznej zapisanej na płytach CD