Принцип действия полупроводникового квантового генератора.

Оптический квантовый генератор или лазер – устройство, генерирующее электромагнитные волны за счет вынужденного испускания света активной средой, находящейся в оптическом резонаторе. Слово лазер – аббревиатура слов английского выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» - усиление света вынужденным излучением.

Любой оптический квантовый генератор содержит три системы:

- активная среда – представляет собой вещество способное усиливать оптическое излучение;

- оптический резонатор – в простейшем случае два плоских зеркала, установленных параллельно друг другу и перпендикулярно оси резонатора;

- система накачки – обеспечивает в активной среде возможность усиления света.

Назначение этих систем будет ясно из ниже изложенного материала.

Итак, пусть имеется активная среда, полупроводник, в котором выполняется условие усиления света:

Е_Fⁿ - E_F^p>Eg

.

В нем происходит излучательная спонтанная рекомбинация, в результате которой появляется множество фотонов, распространяющихся во все возможных направлениях. Каждый фотон может вызвать индуцированную рекомбинацию, в результате которой в полупроводнике появятся два фотона с одинаковыми направлениями распространения, частотой, фазой и поляризацией. Они в свою очередь могут вызвать индуцированную рекомбинацию, что приведет к появлению уже четырех одинаковых фотонов, и так далее. Таким образом в полупроводнике возникает множество усиливающихся световых волн, распространяющихся во всевозможных направлениях и частоты которых находятся в интервале частот Δν (рис…..). Полупроводник начинает излучать свет. На этом явлении основано действие светоизлучающих диодов (СИД).

Среди всех усиливающихся световых волн, возникающих в полупроводнике, существует одна особенная волна, волна распространяющаяся параллельно оси резонатора. Эта волна I₁ покидает полупроводник и попадает на зеркало 1. Зеркало 1 отражает ее обратно в полупроводник, распространяясь в полупроводнике, эта волна I₂ за счет индуцированной рекомбинации усиливается. Пройдя через полупроводник, она попадает на зеркало 2, которое снова отражает ее в полупроводник, где она опять усиливается и попадает на зеркало 1, которое опять возвращает эту волну в полупроводник и так далее. То есть только эта волна постоянно получает усиление в полупроводнике. Все же остальные световые волны, распространяющиеся под углом к оси системы, или сразу покидают полупроводник, или покидают его после нескольких проходов через него, поскольку падают на зеркала оптического резонатора под углом, отличным от 90⁰. Эти волны создают, как говорят, спонтанное излучение.

Если зеркало 1 сделать полупрозрачным, то световая волна I₁ частично будет выходить из оптического резонатора в виде остронаправленного светового луча. Возникает процесс генерации излучения оптического квантового генератора.

Поскольку все фотоны, образующие световой луч, имеют одно направление распространения и одну частоту благодаря свойствам индуцированной рекомбинации, то излучение оптического квантового генератора (лазера) имеет высокую направленность и монохроматичность.

Инжекционный полупроводниковый квантовый генератор и

Светоизлучающий диод.

Создать в одном кристалле полупроводника одновременное вырождение электронов и дырок весьма трудно. Гораздо проще этого добиться, используя два примесных полупроводника, один из которых вырожден по электронам, другой по дыркам. Контакт двух таких полупроводников приводит к образованию p-n перехода. Для того, чтобы в области перехода выполнялось условие

>

к нему необходимо приложить напряжение в прямом направлении большее Еg/q В. В этом случае в области p-n перехода будет существовать одновременное вырождение электронов и дырок. При прямом смещении перехода через него будет протекать электрический ток, состоящий из двух компонент: электронов и дырок, двигающихся навстречу друг другу. Происходит инжекция носителей заряда в переход. Отсюда и название этого класса полупроводниковых приборов. Эти два потока частиц встречаются в тонком слое перехода и рекомбинируют, излучая свет. На этом основано действие светоизлучающего диода. Если же р-n переход поместить в оптический резонатор, то получим лазерное излучение.

Для изготовления светоизлучающих полупровод-никовых приборов используют прямозонные полупроводники. Один из наиболее распространенных GaAs.

Структура инжекционного светоизлучающего диода (СИД) показана на рис….. На подложку из GaAs n-типа наносят эпитаксиальный слой GaAs р-типа. Возникает p-n переход. Для уменьшения поглощения оптического излучения в GaAs р-типа вытравливают лунку, дно которой почти достигает перехода. Для подвода питающего напряжения на структуре выполняют металлические электроды. При подаче прямого смещения на светодиод происходит инжекция носителей заряда в р-n переход их спонтанная излучательная рекомбинация. Возникает свечение перехода и излучение выводится из диода в направлении перпендикулярном плоскости перехода. Рабочие токи инжекции маломощных светодиодов составляют величину порядка десятков миллиампер при мощности оптического излучения несколько милливатт.

Структура полупроводникового квантового генератора (ПКГ) представлена на рис…… Она напоминает структуру светодиода. Торцевые грани получают сколом кристалла полупроводника по определенным кристаллографическим плоскостям. Поэтому они представляют идеальные плоские поверхности строго параллельные друг-другу и являются зеркалами оптического резонатора. Коэффициент отражения от зеркал определяется френелевским отражением света на границе раздела двух сред:

,

где n₁= 1 – коэффициент преломления воздуха, n₂ = 3,4– коэффициент преломления GaAs и для R получим значение равное 0,3, что достаточно для получения лазерной генерации. Оптическое излучение распространяется в р-n переходе вдоль структуры. Для организации одностороннего вывода излучения на один из торцов кристалла наносят отражающее покрытие, например пленку алюминия с коэффициентом отражения ≈ 1. Для подавления оптической генерации в боковом направлении грани кристалла выполняют или слегка скошенными или шероховатыми. Один из металлических электродов для подачи питающего напряжения делают полосковым, это локализует область лазерной генерации в боковом направлении.

Рабочие токи лазерных диодов составляют сотни миллиампер, что требует, как правило, установки кристалла на радиатор для исключения его перегрева.