книги / Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы
.pdf2.5 |
ТЕХНИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ |
121 |
Активные |
элементы на основе монокристаллов алюмо-иттриевого |
грана |
та, имеющего лучшую теплопроводность, обычно изготавливаются в виде ци линдрических стержней диаметром до 10 мм и длиной до 10 см. Кристаллы гадолиний-скандий-галлиевого граната могут быть получены большего разме ра и с большим содержанием ионов Nd3+ Лазерные кристаллы срезают под углом Брюстера, получая линейно-поляризованное излучение.
Таким образом, удается генерировать несколько сотен ватт и даже киловатт в непрерывном режиме с КПД более 10% при использовании полупроводнико вой накачки.
Лазер может быть выполнен в едином блоке с нелинейным элементом-пре образователем частоты (на основе синтетических кристаллов ниобата лития или бария) для генерации второй и высших гармоник с длинами волн 0,53, 0,35 и 0,265 мкм при выходной мощности от нескольких милливатт до единиц ватта.
Для работы в импульсном режиме обычно используют внешнюю модуляцию интенсивности с помощью оптического затвора, например, на основе линейного электрооптического эффекта Поккельса. При модуляции добротности достига ется уровень импульсной мощности до 1012 Вт при длительности импульса 10-г20 нс (504-100 нс — для стекла). При выполнении условий синхронизации мод могут генерироваться сверхкороткие импульсы длительностью 10-12 с и менее.
Неодимовые лазеры нашли широкое применение в дальнометрии (в мало габаритных приборах используются импульсные лазеры с энергией 1 мДж при длительности 10 нс) и в оборонной технике.
Одно из последних технических достижений — создание твердотельных оптических усилителей и лазеров на активных оптических волокнах, легиро ванных ионами редкоземельных элементов. Усилители настраивают на длины волн, соответствующие минимальным потерям в волокне (1,55 и 1,31 мкм), используя ионы-активаторы эрбий (Ег3+) и празеодим (Рг3+). В качестве ис точников накачки применяют мощные полупроводниковые лазерные диоды или линейки из лазеров, спектр излучения которых соответствует спектру погло щения активных ионов. В частности, для накачки малошумящих оптических предусилителей на Ег3+ волокне использовано излучение с длиной волны 0,98 мкм, а для усилителя мощности — более эффективное излучение с длиной волны 1,48 мкм.
Оптическая накачка через боковые поверхности активного волокна оказы вается неэффективной. Поэтому ввод излучения осуществляют методами ин тегральной оптики (например, с помощью призменного устройства, использую щего эффект туннелирования излучения при полном внутреннем отражении). Ввод сигнального излучения и вывод усиленного сигнала производится через оптические разъемы.
Оптические усилители не требуют преобразования оптического сигнала в электрический и обратно и разрыва волоконно-оптической линии и применяют
122 ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Гл. 2
ся как в линиях связи, работающих на дальние расстояния, так и для усиления сигнала перед его разветвлением по многим абонентам.
На активных оптических волокнах изготавливают и волоконные лазеры со средней мощностью от нескольких милливатт до единиц ватт и более.
Кроме твердотельных лазеров на основе кристаллов и стекол, легирован ных неодимом, в этом разделе следует упомянуть трехуровневый рубиновый лазер с накачкой ксеноновой лампой, генерирующий в красной области спектра на длине волны 694,3 нм со съемом энергии ~ 0,2 Дж/см3; перестраиваемые лазеры на активаторах с незастроенными внутренними Ы и 4d оболочками (лазер на александрите с Сг3+ для области 0,724-0,82 мкм; лазер на сапфире с Ti3+, перекрывающий диапазон 0,7-г0,98 мкм и др.) или на центрах окрас ки в щелочно-галоидных кристаллах (перекрываемый диапазон 0,8 4-2,2 мкм) и, наконец, жидкостные лазеры на органических красителях с диапазоном перестройки 0,344-1,17 мкм, пока не нашедшие широкого применения.
Правомерность объединения твердотельных и жидкостных лазеров в одной группе обусловлена слабой зависимостью свойств редкоземельных активаторов от свойств матрицы. Тем более, что стекло можно рассматривать как переохла жденную жидкость.
2.5.3.3. Полупроводниковые лазеры. Наиболее эффективным методом электрического возбуждения является инжекция неосновных носителей заряда в полупроводник через р-л-переход при его прямом смещении. Отличительная особенность полупроводников заключается в том, что это возбуждение не отно сится к определенным узлам кристаллической решетки как активным центрам, а определяется состояниями обобщенных по всему кристаллу электронов. При этом условие инверсии населенности задается соотношением
<§Fn - <§FP > <§g,
где <gg — ширина запрещенной зоны полупроводника, <Врп и <gpp — квазиуровни Ферми для электронов и дырок (см. гл. 3).
Внешним электрическим полем можно почти полностью убрать потенциаль ный барьер между р- и л-областями в гомопереходах. При этом концентрация инжектированных неосновных носителей заряда почти сравнивается с концен трацией их в эмиттере, где они являются основными. Поэтому для получения инверсии вблизи р-л-перехода при его прямом смещении необходимо, чтобы хотя бы одна из его областей была вырожденной.
Наконец, для уменьшения потерь на безизлучательную рекомбинацию ла зеры изготавливают на основе прямозонных полупроводниковых материалов, например, соединений типа А3В5.
Простейший полупроводниковый лазер представляет собой р-л-переход, у которого хотя бы одна из областей вырождена, а сам переход сформирован в плоскости, перпендикулярной плоскостям скола кристалла. При высоких зна чениях коэффициента усиления с единицы длины (до нескольких сотен см- 1 в
2.5 |
ТЕХНИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ |
123 |
GaAs) 30-40% отражение на сколотых боковых гранях обеспечивает необходи мую положительную обратную связь.
Полупроводниковые лазеры, полученные диффузией Zn в GaAs, имеют плотность пороговых токов при комнатной температуре более 50 кА/см2
Однако за последние несколько десятилетий полупроводниковые лазеры кардинально усовершенствовались, прежде всего за счет использования эпи таксиальных методов и гетеропереходов с минимальным числом дефектов, при водящих к безызлучательным переходам.
Лазеры с двойной гетероструктурой. Активная область представляет собой тонкий слой (не более А/п) узкозонного полупроводникового матери ала, расположенного между широкозонными р- и я-областями-эмиттерами.
Односторонняя |
инжек |
Металлический |
|
||||
ция и сверхинжекция в |
|
||||||
обеих |
гетеропереходах, |
контакт |
|
||||
р —GaAs(Ge) — |
Окисный |
||||||
обусловленные разрыва |
|||||||
р — AlGaAs(Ge) |
слой |
||||||
ми |
в |
зонах, |
и |
огра |
|
||
GaAs |
AlGaAs(Те) |
||||||
ничение энергетически |
|||||||
П — AlGaAs(Те) |
|||||||
ми |
барьерами |
области |
|
||||
рекомбинации |
позволя |
П — GaAs(Te) |
■\\\"\ЧЧЧЧЧЧЧЧ^ЧЧЧЧЧЧЧЧЧ |
||||
Металлический |
|||||||
ют |
существенно |
облег |
|||||
контакт |
|
||||||
чить достижение инвер |
Р и с . 2.5.3. Структура полоскового лазера с двойной гетеро- |
||||||
сии. |
Кроме того, |
узко |
|||||
|
|
|
|
|
структурой. |
|
зонный активный слой с большим показателем преломления ведет себя как волновод, локализуя излу
чение, распространяющееся в плоскости р-я-перехода.
Лазеры на двойных гетероструктурах из Ga0,4lno,6Aso,88Po,i2/InP на длину волны 1,3 мкм и Alo^Gao^As/GaAs на длину волны 0,84 мкм характеризуются пороговыми плотностями тока порядка 1ч-3 кА/см2
Приоритет в разработке лазеров с двойной гетероструктурой принадлежит лауреату Нобелевской премии академику Ж. И. Алферову с сотрудниками.
Гетеролазеры с полосковой структурой, предназначены для дальнейше го уменьшения порогового тока и эффективной селекции мод в направлении, параллельном р-я-переходу (см. рис. 2.5.3). Такие лазеры, как правило, созда ются вытравливанием мезаструктуры, перпендикулярной резонаторным граням, и ее последующим заращиванием широкозонным не проводящим ток твердым раствором (AlGaAs, легированный Те — на рис. 2.5.3). Таким образом обеспе чивается электронное и оптическое ограничение по обеим координатам.
Гетеролазеры с распределенной обратной связью. Гетерограница между активной областью (например GaAs) и одним из инжекторов (AlGaAs) делается гофрированной, причем гофр (отражатели Брегга) располагается перпендику лярно полосковой структуре. Периодические изменения показателя преломле
124 |
ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ |
Гл. 2 |
ния приводят к интерференции. Шаг гофрировки для решетки, работающей в первом порядке, равен А/2п, т.е. ~ 0,13 мкм для GaAs. Решетки с таким пе риодом создаются фотолитографическим методом при помощи интерференции лазерных пучков коротковолновых газовых лазеров.
С использованием гетеропереходов с распределенной обратной связью полу чила изящное решение проблема уменьшения расходимости светового пучка в плоскости, перпендикулярной р-л-переходу, улучшена температурная стабиль ность спектральных характеристик лазера и обеспечена возможность эффек тивного ввода излучения в оптические волноводы.
Гетеролазеры с раздельным электронным и оптическим ограничением.
В лазерах с двойной гетероструктурой утоньшение активной области менее А/л, необходимое для дальнейшего снижения порогового и рабочего токов, не эффективно из-за просачивания излучения и его потерь в широкозонных обла стях эмиттеров. Проблема решается разделением областей оптического и элек тронного ограничения: внутри слоя оптического ограничения толщиной ~А /п помещается сверхтонкий слой с еще меньшей шириной запрещенной зоны, где и происходит вынужденная рекомбинация электронов и дырок (рис. 2.5.4). При этом слой оптического ограничения играет двойную роль: кроме оптического
Р и с . 2.5.4. Конструкция лазера с раздельным электронным и оптическим ограничением и распределенной обратной связью. Дифракционная решетка расположена в эпитаксиальном слое под активной областью
волновода он является резервуаром для неравновесных носителей, откуда они поступают в узкую область рекомбинации. Если слой оптического ограничения изготовить в виде варизонной структуры с уменьшающейся к области реком бинации шириной запрещенной зоны, то неравновесные электроны и дырки ускоряются к активной области встроенным электрическим полем.
Гетеролазеры с квантоворазмерными структурами. В современных ла зерах в качестве активной области, где происходит накопление и последующая излучательная рекомбинация неравновесных электронов и дырок, используют ся квантоворазмерные структуры: квантовые ямы и точки. Ступенчатый вид функции плотности состояний для двумерного электронного газа в квантовой яме уменьшает тепловое размытие в распределении носителей по энергиям и
2.5 ТЕХНИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 125
облегчает достижение инверсии. Ослабевает температурная зависимость поро говой плотности тока и растет коэффициент усиления. Пороговая плотность тока накачки при комнатной температуре у лазеров с одной или несколькими квантовыми ямами составляет 100-г 300 А/см2 В еще большей степени пере численные преимущества проявляются для квантовых точек, где электронный спектр и функция плотности состояний имеют атомоподобный вид.
Для ускорения поступления носителей в рекомбинационную квантовую яму и устранения возможных деформаций и связанных с ними дефектов на резкой гетерогранице в активных областях гетеролазеров целесообразно использовать квантоворазмерные слои с внутренними напряжениями сжатия и растяжения. При толщинах таких слоев, меньших некоторой критической величины, дис локации несоответствия и другие дефекты не образуются как в самом слое, так и на гетерограницах. Использование напряженных слоев позволяет расши рить номенклатуру материалов (из-за смягчения требований к рассогласованию решеток), а также варьировать внутренние напряжения в слое и тем самым ме нять параметры зонной структуры полупроводника. В инфракрасных лазерах с такой структурой и размером активной области 5-г 20 нм пороговая плотность тока снижается до 40 А/см2
Наибольшая доля промышленного выпуска полупроводниковых ин
фракрасных |
лазеров приходится на |
приборы, |
согласованные |
с полоса |
|
ми пропускания оптических волокон: |
0,84 мкм |
(лазеры на |
Alo^Gao.rAs/ |
||
GaAs или |
Al0,05Ga0,95As), 1,31 мкм (In0,72Ga0,28Aso,6Po,4/InP) |
и |
1,55 мкм |
(Ino,6Gao,7Aso,88Po,i2/InP). В основном изготавливаются двойные гетеролазеры с полосковой структурой и с раздельным электронным и оптическим ограниче нием.
Мощные полупроводниковые лазеры обеспечивают 0,2 -г0,5 Вт в одноча стотном непрерывном режиме, а в многомодовом — 54-10 Вт при КПД до 50ч-60%. Углы расхождения излучения в плоскости р-я-перехода 104-30°, в перпендикулярной плоскости 304-60° Предельные частоты модуляции излу чения — несколько гигагерц и более. Для генерации большей мощности в непрерывном режиме осуществляется термоэлектрическое охлаждение.
Кроме того, выпускаются лазерные модули, включающие до 10 мощных лазерных диодов, излучение которых вводится в общее волокно с диаметром сердцевины ~ 200 мкм. При термоэлектрическом охлаждении лазеров выход ная мощность излучения составляет 40 Вт в числовой апертуре 0,22 (опреде ление числовой апертуры — см. в разделе 2.8).
Другой вариант лазерной линейки создается методом интегральной техно логии на одном кристалле. Блок одинаковых полосковых структур шириной 1 см излучает в непрерывном режиме 50 Вт. Срок службы таких блоков 54-10 тыс. часов.
С 1999 г. рядом японских фирм начат промышленный выпуск «синих» ла зеров на основе Аз нитридов с гарантированным сроком службы более 10 тыс.
2.5 |
ТЕХНИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ |
127 |
ющихся четвертьволновых слоев с разными показателями преломления. Из-за короткой области усиления для обеспечения устойчивой генерации в таких лазерах зеркала должны иметь высокий коэффициент отражения.
На рис. 2.5.6 приведена схема такого лазера. Активная область содержит вертикально-связанные квантовые точки на основе узкозонного InGaAs в мат-
Лазерное
излучение
Активная
область
Распределенное брэгговское зеркало
Диэлектрик
Металлический
контакт
Распределенное I брэгговское зеркало I
Подложка GaAs
Р и с . 2.5.6. Поверхностно-излучающий инжекционный микролазер с брегговскими зерка лами и активной областью, содержащей вертикально связанные квантовые точки
рице GaAs или GaAlAs эпитаксиального слоя. Для предотвращения генерации продольных мод рабочая поверхность ограничивается размерами в несколь ко микрон с помощью диэлектрических или высокоомных полупроводниковых слоев. Рабочий ток отдельного микролазера не превышает единиц миллиампера при пороговых токах в десятые и сотые доли миллиампера.
Лазеры с поверхностным выводом излучения обеспечивают малую расхо димость круглого в сечении луча и одномодовый режим работы, стыкуются с оптическим волокном с минимальными потерями и используются в линиях связи со скоростями до 100 Гбит/с и более.
Наконец, упомянем каскадные полупроводниковые лазеры для инфракрас ного диапазона спектра 3-ь-100 мкм, в которых используются внутризонные пе реходы между подзонами размерного квантования электронов в квантовой яме или электронными уровнями квантовой точки. В отличие от газовых лазеров, активные частицы в которых являются природными образованиями, параметры квантовых ям и точек определяются их структурой и технологией.
Полупроводниковые лазеры с ионизацией быстрыми электронами и фотоио низацией в настоящее время не имеют значительного распространения.
Преимущества полупроводниковых лазеров: возможность непосредственно го преобразования электрической энергии в излучение, малые размеры области свечения, высокие КПД и яркость, возможность высокочастотной модуляции излучения током питания. Наряду с другими преимуществами, присущими по лупроводниковым приборам (возможность работы от низковольтных источни
2.5 ТЕХНИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 129
GaxIni_a;As с квазимежзонной излучательной рекомбинацией (когда примес ные уровни сливаются с краем зоны).
На базе арсенида галлия с запрещенной зоной 1,424 эВ (300 К) выпуска ются наиболее эффективные инфракрасные светодиоды для области спектра 0,86-г0,95 мкм. Используется межзонная или квазимежзонная излучательная
Свет
Р и с . 2.5.8. Поверхностно-излучающий светодиод двойной гетероструктуры AlGaAs, сов мещенный со стекловолокном
рекомбинация, а также излучательные переходы на акцепторные уровни или в примесную зону, созданные амфотерной примесью кремния. При комнатной температуре в GaAs реализован внутренний квантовый выход более 95% Важ но, что спектр излучения GaAs(Si) светодиодов с Атах = 0,95 мкм согласуется со спектральной чувствительностью кремниевых фотодиодов.
Для красной области спектра делают светодиоды из прямозонных Al^Gai-^As и GasPxAsi-* (х ^ 0,4) с квазимежзонной рекомбинацией, а также из непрямозонного GaP, легированного цинком и кислородом.
Светодиоды для оранжевой, желтой и зеленой областей спектра изготавли вают из непрямозонного Ga^P^As^x (х > 0,6) и GaP, легированных азотом.
Для изготовления светодиодов используют также GaxIni_xP, GalnAlP, кар бид кремния.
Светоотдача светодиодов на двойных гетероструктурах, например, в систе ме AlxGai_xAs порядка 10 лм/мА.
Начат промышленный выпуск светодиодов с излучением в диапазоне от фи олетового до зеленого света на основе двойных герероструктур из Ini_xGaxN (содержание In увеличивается по мере сдвига к зеленому цвету) с кванто вой ямой и электронным ограничением слоями AlxGai_xN. Синие светодиоды (4504-479 нм) обеспечивают силу света 2 кд при светоотдаче 3 лм/Вт (КПД ~ 10% ), зеленые (~525 нм) — 12 кд и 22 лм/Вт (6%). Изготавливаются све тодиоды с нанесенным на поверхность кристалла люминофором, осуществля ющим спектральное преобразование рекомбинационного излучения. Такое ре шение позволило получить светодиоды с белым излучением.
5 -7 4 7
130 |
ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ |
Гл. 2 |
Срок службы полупроводниковых светодиодов обычно составляет 1054-106 часов и при возрастании окружающей температуры на 104-30° снижается при мерно вдвое.
Полупроводниковые светодиоды, как и лазеры, компактны, экономичны, имеют высокое быстродействие, интегрируются с другими полупроводниковы ми приборами и являются базовыми элементами современной оптоэлектроники. Область их применения чрезвычайно обширна: индикаторы для отображения информации, системы автоматического контроля, различного рода датчики, си стемы накачки, инфракрасной подсветки, связи на короткие расстояния и др. Объемы их производства в мире — сотни миллионов штук в месяц.
2.5.5. Объекты тепловизионного наблюдения. В связи с бурным разви тием тепловидения, теплопеленгации и теплового наведения кратко рассмотрим характеристики объектов, излучающих в инфракрасном диапазоне.
Обшивка реактивных самолетов при полете на высоте 11 км вслед ствие аэродинамического нагрева достигает температуры ~ 100°С при М = 2,2, 200 4-250 °С при М = 3 и 700 °С при М = 5,5 (где М — отношение скорости самолета к скорости звука) и является источником значительного теплового излучения. При уменьшении высоты аэродинамический нагрев только усили вается. Так на высоте 3 км температура 2004-250°С достигается при М т 2 .
Однако обнаруживают самолеты, как правило, по тепловому излучению соп ла их двигателя и факела выхлопных газов. Излучение сопла двигателя может
быть аппроксимировано излучением черного тела |
с |
коэффициентом серости |
~ 0,9 и температурой от 300 4-400°С (при полете |
на |
малых скоростях) и до |
500 4-600°С (при больших скоростях). |
|
|
В бесфорсажном режиме излучение в заднюю полусферу от сопла дви гателя много больше, чем от факела. В форсажном режиме расход топлива увеличивается до 5 раз и доминирующим источником излучения становится факел, температура на срезе сопла и геометрические размеры которого также значительно увеличиваются. Это приводит к увеличению яркости факела до 50 раз. Хотя температура факела уменьшается при удалении от сопла, из-за значительной длины факела какая-то часть его видна при любом направлении наблюдения, в том числе в переднюю полусферу.
При больших сверхзвуковых скоростях излучение факела реальных дви гателей, работающих на форсаже, снова становится меньше по сравнению с излучением выхлопного сопла.
При использовании углеводородного топлива главным продуктом сгорания в факеле являются углекислый газ и пары воды. Сильная полоса излучения факела, наблюдаемая при 4,4 мкм, обусловлена СОг а более слабая и широ кая полоса при 2,7 мкм образуется в результате наложения нескольких полос излучения воды и углекислоты. Кроме того, много слабых полос наблюдает ся при длинах волн свыше 25 мкм. Спектральная яркость при 4,4 мкм выше, чем при 2,7 мкм, в зависимости от вида топлива в 2,54-10 раз. Этот диапазон