Принцип действия полупроводникового инжекционного лазера

Просмотров: 10388

Рекомендовано для: Oracle Database 10g R1 Oracle Database 10g R2 Oracle Database 11g R1 Oracle Database 11g R2

Новые псевдо-колонки доступны только в иерархических запросах. Этими колонками являются: CONNECT_BY_ISCYCLE CONNECT_BY_ISLEAF Дополнительно к предложению CONNECT BY они улучшают запросы иерархических данных возвратом всех пар предок-зависящий (не как мастер-детальное отношение), новый набор псевдо-колонок был представлен в Oracle Database 10g: CONNECT_BY_ISCYCLE - псевдо-колонка возвращающая 1, если текущая строка имеет подчиненную запись которая также является предшественником. В противном случае возвращает 0. CONNECT_BY_ISLEAF - псевдо-колонка возвращающая 1, если текущая строка представляет собой лист дерева определяемого условием CONNECT BY. В противном случае возвращает 0. CONNECT_BY_ROOT - унарный оператор, который верен только в иерархических запросах. Когда вы указываете колонку с этим оператором, то Oracle возвращает значение колонки используя данные их корневой строки. SYS_CONNECT_BY_PATH - возвращает путь значений от корня до узла, со значениями колонок разделенными символом для каждой строки возвращаемой условием CONNECT BY. LEVEL - для каждой строки возвращенной иерархическим запросом, эта колонка возвращает 1 для корня, 2 для дочерней записи от корня, и т.д. Добавление параметра NOCYCLE в условие CONNECT BY, можно заставить Oracle вернуть строки игнорируя повтор. Псевдо-колонка CONNECT_BY_ISCYCLE покажет как строки проходят в цикле: SQL> SELECT ename "Employee", CONNECT_BY_ISCYCLE "Cycle", 2 LEVEL, SYS_CONNECT_BY_PATH(ename, '/') "Path" 3 FROM scott.emp 4 START WITH ename = 'KING' 5 CONNECT BY NOCYCLE PRIOR empno = mgr AND LEVEL <= 4;Employee Cycle LEVEL Path---------- ---------- ---------- ----------------------------KING 0 1 /KINGJONES 0 2 /KING/JONESSCOTT 0 3 /KING/JONES/SCOTTADAMS 0 4 /KING/JONES/SCOTT/ADAMSFORD 0 3 /KING/JONES/FORDSMITH 0 4 /KING/JONES/FORD/SMITHBLAKE 0 2 /KING/BLAKEALLEN 0 3 /KING/BLAKE/ALLENWARD 0 3 /KING/BLAKE/WARDMARTIN 0 3 /KING/BLAKE/MARTINTURNER 0 3 /KING/BLAKE/TURNERJAMES 0 3 /KING/BLAKE/JAMESCLARK 0 2 /KING/CLARKMILLER 0 3 /KING/CLARK/MILLER Если убрать параметр NOCYCLE и выполнить запрос, то получим сообщение об ошибке ORA-01436: CONNECT BY loop in user data: SQL> SELECT ename "Employee", LEVEL, 2 SYS_CONNECT_BY_PATH(ename, '/') "Path" 3 FROM scott.emp 4 START WITH ename = 'KING' 5 CONNECT BY PRIOR empno = mgr AND LEVEL <= 4; вернет ERROR: ORA-01436: CONNECT BY loop in user data

 

Принцип действия полупроводникового инжекционного лазера

 

Полупроводниковые лазеры составляют особую группу среди лазеров на основе твердого тела. Важнейшим преимуществом использования полупроводников в качестве активных сред лазеров является возможность прямого преобразования электрической энергии в энергию когерентного электромагнитного излучения. При этом теоретически возможно получение коэффициента полезного действия приборов этого типа, близкого к 100 %.

В отличие от других активных сред, используемых для создания лазеров, энергетический спектр полупроводника имеет широкие полосы разрешенных состояний электронов (зону проводимости и валентную зону), которые разделены запрещенной зоной. При этом состояния электронов в зоне проводимости и в валентной зоне описываются не локализованными волновыми функциями, а блоховскими функциями, «размазанными» в пространстве. Соответственно, каждый изэлектронов в кристалле нельзя рассматривать как принадлежащий отдельному атому. Поэтому условие инверсии, записанное в обычном виде (Nm > Nn при Em > En), для полупроводников
неприемлемо.

Условие усиления электромагнитной волны в полупроводнике можно получить, если рассмотреть полное число переходов с поглощением и испусканием фотонов. Если учитывать только переходы зона–зона, то число испущенных в результате индуцированного испускания фотонов будет превышать число поглощенных фотонов при выполнении условия

Fn* – Fp* > Eg,

(4.1)

где Fn * и Fp * – квазиуровни Ферми для электронов и дырок, а Еg – ширина запрещенной зоны.

Это соотношение по существу определяет условие инверсии населенности в полупроводнике для переходов зона–зона. Его физический смысл вполне очевиден: для того чтобы обеспечить преобладание усиления за счет процессов вынужденного испускания над процессами собственного поглощения, необходимо создать такие избыточные неравновесные концентрации носителей в зоне проводимости и в валентной зоне, при которых расстояние между квази­уровнями Ферми будет превышать ширину запрещенной зоны полупроводника. Это означает, что один или оба квазиуровня Ферми должны находиться внутри разрешенных зон, т. е. возбуждение должно быть настолько интенсивное, чтобы создать вырождение в зоне проводимости и в валентной зоне.

В общем случае для любых типов излучательных переходов с испусканием фотонов ħ;ω условие инверсии записывается в виде

Fn* – Fp* > ħ;ω.

(4.2)

Условия (4.1), (4.2) являются необходимыми, но не достаточными для получения усиления или генерации в системе в целом. Достаточным условием здесь, как и в прочих типах усилителей и генераторов, является превышение усиления над всеми потерями. В полупроводниках с непрямой структурой энергетических зон выполнение этого условия затруднено. Поэтому в подавляющем большинстве случаев для получения лазерного эффекта используются полупроводники с прямой структурой энергетических зон, в которых вероятность излучательных переходов существенно превышает вероятность неактивного поглощения на свободных носителях заряда. Необходимым условием достижения лазерной генерации является также наличие положительной обратной связи в системе. Как и в других типах лазеров, эта задача может быть решена с помощью открытых резонаторов. Наиболее широко в полупроводниковых лазерах используется плоский резонатор (резонатор Фабри–Перо), поскольку его удобно изготовить сколами по кристаллографическим плоскостям, перпендикулярным плоскости р - n -перехода лазерной структуры.

В инжекционном лазере для получения состояния с инверсией населенностей используется инжекция носителей заряда через р - n -переход, смещенный в прямом направлении. При достаточно большом напряжении, приложенном в прямом направлении, вблизи р-n -перехода возникает область с инверсной населенностью, как это показано на рис. 4.1 слева. При малых плотностях тока имеет место рекомбинационное излучение, связанное со спонтанными переходами. По мере возрастания плотности тока коэффициент усиления растет до тех пор, пока не будет достигнуто пороговое значение, при котором возникнет лазерный эффект. В этом случае наблюдается резкое увеличение интенсивности и сужение спектра излучения лазерного диода.

Пороговое значение плотности тока может быть определено из соотношения

,

(4.3)

где L – длина резонатора, d – толщина активной области р-n -перехода; βω– показатель объемных потерь; B – коэффициент рекомбинации; ξ – коэффициент удержания света; R 1и R 2– коэффициенты отражения зеркал резонатора.

Рис. 4.1. Энергетические диаграммы, профиль показателя преломления n и распределение интенсивности электромагнитного поля ρω в диодах с гомоструктурой и двойной гетероструктурой

Пороговая плотность тока, как видно из (4.3), снижается по мере уменьшения размеров активной области d. В обычных р - n -переходах с гомоструктурой размер этой области в основном определяется диффузионной длиной инжектируемых носителей заряда и не может быть искусственно
ограничен. Как видно из рис. 4.1, существует перепад показателя преломления в области объемного заряда, что приводит к некоторой локализации электромагнитного поля вследствие волноводного эффекта. Однако этот перепад невелик (менее 1 %) и практически не может управляться извне, поэтому его влияние на снижение порогового тока не столь существенно.

Использование гетеропереходов для создания инжекционных лазеров дает целый ряд преимуществ по сравнению с гомопереходами, особенно в случае использования двойных гетероструктур (ДГС-лазеры). Для изготовления гетеролазеров в основном применяются полупроводниковые соединения А3B5и твердые растворы на их основе, в частности арсенид галлия и твердые растворы типа Ga1– x Al x As. Диаграммы, поясняющие принцип и особен­ности работы таких лазеров, приведены на рис. 4.1 справа. Активная область инжекционного гетеролазера на основе арсенида галлия представляет собой тонкий слой GaAs с d ≈ 0,3 мкм. Электроны и дырки инжектируются в него из широкозонных N -Ga1– x Al x As и P -Ga1– x Al x As-областей, выполняющих функцию эмиттеров. Это позволяет создавать в активной области концентрацию избыточных носителей заряда, превышающую равновесную концентрацию этих носителей в широкозонном эмиттере (эффект сверхинжекции), что снимает необходимость сильного легирования эмиттера. Кроме того, имеются потенциальные барьеры, препятствующие диффузии инжектированных носителей из слоя GaAs – возникает эффект электронного ограничения.

Важно, что у Ga1– x Al x As показатель преломления существенно меньше, чем у GaAs, причем разница показателей преломления может достигать величины Δ n ≈ –0,4. Это означает наличие диэлектрического волновода, обеспечивающего сильную локализацию поля (эффект оптического ограничения). Таким образом, пороговый ток снижается не только за счет уменьшения толщины активной области, но и за счет уменьшения коэффициента
потерь ξ, из-за того что ограничивается проникновение поля в соседние р ‑ и n ‑области с большими потерями. Оптимизация параметров гетероструктуры по электронному и оптическому ограничениям позволяет снизить величину порогового тока при комнатной температуре до значения j пор ≤ 1 кА/см2по сравнению с j пор ≤ 100 кА/см2, характерного для гомоструктур. Для дальнейшего уменьшения j порприменяют структуры с раздельным электронным и оптическим ограничением (РО ДГС-лазеры), содержащие в активной области квантово-размерные наноструктуры (квантовые ямы и точки).

Рабочие характеристики инжекционных лазеров. Электрические характеристики, выходная мощность и спектры излучения определяются особенностями конструкции и материалом активной области. Типичная вольт-амперная характеристика ДГС-лазера с широким контактом на основе приведена на рис. 4.2. Напряжение, при котором ток равен 1 мА, обычно составляет 1,1…1,2 В. Если при таком напряжении ток прямого смещения значительно превосходит 1мА, то это свидетельствует о наличии дополнительных паразитных каналов избыточного тока, приводящих к увеличению J _пор. Напряжение пробоя при обратном смещении зависит от уровня легирования. Характерное значение – около 6 В.

Рис. 4.2. Типичная вольт-амперная характеристика ДГС лазера с широким контактом

 

Ток в прямом направлении при его изменении от 10^-10 до 10^-3 А хорошо описывается известным соотношением I _пр~exp(eU /2 kT). При больших токах на вольт-амперную характеристику начинают влиять разогрев и паление напряжения на контактах и в приконтактных областях.

Типичные спектры излучения ДГС-лазера приведены на рис. 4.3. В лазерах с широким контактом или с большой шириной полоски в зависимости выходной мощности от тока накачки могут наблюдаться характерные изломы, вызванные нестабильностью работы. В полосковых лазерах с узким контактом эти неприятности отсутствуют.

Спектр излучения при токах ниже порогового представляет собой сравнительно широкую полосу, обусловленную межзонными или квазимежзонными спонтанными переходами в активной области гетеролазера. При приближении к порогу в спектре излучения возникает модовая структура, которая при токе вблизи порогового проявляется очень отчетливо (рис. 4.3). Этот режим работы называется сверхлюминесценцией или суперлюминесценцией: в активной области создана инверсия населенности, но ее еще не хватает для начала генерации, т.е. еще не выполнено условие самовозбуждения. При J > J _пор спектр излучения сужается, увеличивается направленность и когерентность излучения. При изменении плотности тока накачки возможен перескок с одной моды на другую. При увеличении тока накачки максимум спектральной зависимости показателя усиления сдвигается в коротковолновую область. Одновременно при больших J происходит нагрев кристалла, за счет чего спектр сдвигается в длинноволновую область. Часто второй эффект преобладает над первым.

Рис. 4.3. Изменение спектра излучения ДГС –лазера с изменением тока накачки. Ширина полоска 0,3 мкм; I _пор = 50 мА.

 

 

Рис. 4.4. Ватт-амперная характеристика ДГС-лазера

На рис. 4.4 приведена ватт- амперная характеристика лазера на гетероструктуре и спектры излучения в разных ее точках. Если в активной области лазера имеются факторы, приводящие к неоднородному уширению спектральной линии люминесценции (например, неоднородность состава по площади активного слоя), то даже в полосковом РОДГС-лазере велика вероятность генерации в многомодовом режиме с участием нескольких продольных мод.

Диаграмма направленности инжекционного лазера определяется теми же факторами, что и у лазеров других типов. Для основной моды угол расходимости дается соотношением

ΘD = λβ/d,

(4.4)

где β; – числовой коэффициент порядка единицы; его точное значение зависит от распределения амплитуды поля, а также от способа которым определены Θ_D и d. Так как поперечные размеры активной области в полупроводниковых лазерах очень малы, то дифракционная расходимость будет велика. В плоскости, перпендикулярной активному слою, она будет определятся толщиной области оптического ограничения D, а в плоскости p-n-перехода – шириной области генерации или шириной полоски W в полосковом лазе. Так как D < W, то угол расходимости излучения в плоскости p-n-перехода Θ;_п будет меньше, чем в перпендикулярной плоскости. картина излучения полоскового гетеролазера работающего в одномодовом режиме, в дальней зоне представляет собой эллипс, расширяющийся в направлении, перпендикулярном поверхности слоя. Для его фокусировки могут быть использованы цилиндрические линзы.

 

Рис. 4.5. Диаграмма направленности и картина дальнего поля ДГС-лазера.

Важное влияние на характеристики ИПЛ оказывает температура. Наиболее сильно онавлияет на пороговый ток и мощность излучения, что вызвано в основном двумя причинами. Во-первых, с увеличением температуры происходит “размазывание” носителей по энергии. Во-вторых, с увеличением температуры обычно происходит снижение эффективности люминесценции в активной области (температурное гашение люминесценции), приводящее к уменьшению квантового выхода и времени жизни неравновесных носителей заряда в активном слое. Поэтому в полупроводниковых лазерах следует самое серьезное внимание уделять теплоотводу. Обычно температурная зависимость пороговой плотности тока в области Т > 250 К приближенно описывается экспоненциальной функцией.

Изменение ширины запрещенной зоны с температурой вызывает сдвиг спектра лазерного излучения. Если лазер работает в многомодовом режиме, то увеличение температуры приводит к плавному смешению огибающей спектра в длинноволновую область. Если лазер работает в одномодовом режиме, то увеличение температуры будет приводить к скачкообразным изменениям λ_ген, определяемым перескоком с одной моды на другую при изменении ширины запрещенной зоны.

 

4.2. Описание установки

 

В лабораторной работе исследуется полупроводниковый инжекционный лазер, используемый для считывания DVD-дисков. Лазер установлен в держателе, содержащем нагреватель и обеспечивающий поворот лазера по горизонтальной и вертикальной осям для исследования диаграммы направленности. Излучение лазера направляется на входное отверстие волновода, подключенного к спектрометру быстрого сканирования (СБС), позволяющему проводить измерение спектральных характеристик ИПЛ за время 100 мс и менее. Спектр отображается на экране персонального компьютера и может быть сохранен на жесткий диск в виде текстового файла. Нагреватель управляется путем регулирования напряжения на дополнительном источнике питания.

 

 

Рис. 4.6. Блок-схема оптической установки для исследования инжекционного гетеролазера

 

 

4.3. Проведение измерений

 

1. Включить компьютер. Подключить к компьютеру спектрометр через USB разъем. Запустить программу SpectraSuite. Убедиться, что спектрометр обнаружился (появилось его изображение в левой панели 1, рис. 4.6), иначе вручную провести рескан приборов, для чего выбрать "Rescan Devices" в меню 2 "Spectrometer". Если спектрометр все равно не обнаружился, следует переключить USB-кабель в другой разъем и провести рескан заново.

2. Присоединить к спектрометру волновод. Включить показ спектра, нажав кнопку 3 справа вверху. Управление измерением осуществляется блоком кнопок 4. Включить непрерывные измерения (7) и убедиться в том, что спектрометр измеряет спектр.

3. Включить программируемый источник питания лазера PSM-6003. При включении источника в сеть, выходной сигнал отключен. Перед включением необходимо установить значения напряжения и тока накачки выходного сигнала U = 2,5 В, I = 20 мА. Для изменения величины тока следует нажать кнопку “I set”, после чего поворотом ручки задать нужное значение тока. Аналогично устанавливается значение напряжения кнопкой “U set”. Нажатием кнопки “output” на управляющей панели источника питания подать сигнал на лазер. После подачи выходного сигнала, источник перейдет в режим стабилизации тока (на экране загорится соответствующий индикатор ”CC”), если этого не произошло необходимо проконсультироваться с преподавателем. ВАЖНО: выключать источник только после выключения выходного сигнала кнопкой “output”.

 

Рис. 4.6. Рабочее окно программы SpectraSuite

 

4. Проверить, установлен ли лазер в положение 90º по верхней шкале и 0º по боковой шкале. Затем регулируя высоту, угол поворота и сдвиг волновода добиться максимума показаний спектрометра (обычно все настроено).

5. Настроить диапазон измерения в программе SpectraSuite. Для этого, установить ширину окна 8 ед. (12), ток лазера 90 мА и, изменить время интеграции (11) таким образом, чтобы интенсивность спектров на экране была максимальной, но при этом не было переполнения (полочки в верхней части спектра, спектр должен быть "острым"). (Значение времени интеграции должно составить примерно 10 мс)

6. Убрать фоновый шум. Для этого выключить напряжение (кнопкой “output” на PSM-6003) измерить один спектр и остановить измерения (6), записать шумовой спектр (8), удалить шум (9) и включить непрерывные измерение снова (7).

7. Сохранить спектр на диск компьютера. Для этого нажать кнопку (10) и в появившемся окне выбрать в графе “File type” выбрать пункт “Tab Delimited”. Нажав кнопку "Browse", перейти в папку D:\Students, создать папку группу (если ее еще нет) и бригады (например D:\Students\6202\6202-1\). Ввести имя файла в соответствующем поле. Рекомендуется использовать следующий формат названия: "I35 T20.txt", где I – обозначение тока накачки лазера, цифра рядом с буквой – значение тока в мА (I35 - ток I = 35 мА), Т – температура (T20 – 20ºС). Окно папки закрыть и сохранить файл, нажав "Save". Следует обязательно убедиться, что файл сохранен в правильной папке в правильном формате (txt), для чего необходимо перейти в папку с помощью стандартного Проводника Windows, найти и открыть файл. Название каждого файла следует записывать в протокол измерений.

8. Измерить влияние тока накачки на спектральные характеристики исследуемого лазера изменяя ток источника питания лазера от 15 мА до 45 мА с шагом в 5 мА и в диапазоне от 50 мА до 90 мА с шагом в 10 мА, измеряя и сохраняя спектр в каждой точке.

9. Измерить диаграммы направленности лазера. Установить ток накачки I = 35 мА. Измерять угол наклона лазера по малой шкале от 60^о до 120^о через 5^о и записывать в протокол значения интенсивности в максимуме спектра излучения лазера. Затем установить угол поворота по большой шкале (вращение вокруг оси излучения лазера) в значение 90^о и повторить измерения. Вернуть лазер в основное положение (90º по верхней шкале и 0º по боковой шкале).

10. Измерить вольт-амперные характеристики, задавая нужное значение тока в пределах от 0 до 60 мА с интервалом в 5 мА и фиксируя соответствующие значения напряжения по показаниям на информационной панели источника питания PSM-6003.

11. Установить ток накачки I = 35 мА на PSM-6003.

12. Включить источник питания нагревателя GPR-30H10D. Регулируя силу тока подаваемого на нагреватель в соответствии с градуировкой (рис. 4.7), изменять температуру в пределах от 25 до 125 ºС с шагом в 20 ºС и повторить измерения влияния тока накачки (п.8), а также вольт-амперных характеристик (п.10) для каждого значения температуры. (Для ускорения нагрева можно кратковременно подавать токи, несколько превышающие указанные на рис 4.7 устойчивые значения для соответствующих температур)

 

Рис. 4.7. Градуировка нагревателя

 

4.4. Обработка результатов и содержание отчета

 

В отчете должны быть представлены:

1. Цель работы.

2. Блок-схемы установки.

3. Вольт-амперные характеристики для разных значений температуры, представленные в виде графика. Построение зависимостей для каждого пункта выполняется на одном графике, если это не оговорено отдельно.

4. Зависимости мощности излучения полупроводникового лазера от тока накачки

5. Зависимости длинны волны в максимуме излучения от тока накачки, представленные в виде таблицы и графика.

6. Результаты определения порогового тока лазера из ватт-амперных характеристик

7. Диаграммы направленности излучения лазера, построенные в полярных координатах.

8. Спектры излучения лазера при разных значениях температуры

9. Зависимость длины волны в максимуме излучения от температуры.

10. Зависимость порогового тока лазера от температуры.

11. Выводы по работе.

 

 

4.5. Контрольные вопросы

 

1. Пояснить особенности создания инверсной населенности в полу­проводниках.

2. Перечислить и пояснить методы возбуждения, используемые в полу­проводниковых лазерах.

3. Почему диаграммы направленности инжекционного лазера различны в разных плоскостях?

4. Дать описание экспериментальной установки и пояснить назначение отдельных ее элементов.

5. Пояснить принцип действия синхронного детектора. Можно ли записать спектральную характеристику лазерного диода с помощью экспериментальной установки, если питать диод от источника постоянного тока?

6. Пояснить влияние плотности тока на спектр излучения лазерного диода.

7. В чем заключаются преимущества гетероструктур перед обычными р‑n ‑переходами при создании инжекционных лазеров?

8. Пояснить эффекты односторонней инжекции, сверхинжекции и волноводный эффект в двойной гетероструктуре.

9. Чем определяются оптимальные размеры активной области лазера на двойной гетероструктуре (толщина, ширина и длина)?

10. В чем состоит принцип раздельного электронного и оптического ограничений и как он реализуется в РО ДГС-лазерах?