Лазерный диод¶

Лазерный диод — это полупроводниковый прибор, излучающий когерентный монохроматический свет в узком спектральном диапазоне на основе явления вынужденного излучения. Конструктивно представляет собой диод, в котором активная среда образована p-n-переходом или гетероструктурой. Лазерные диоды относятся к классу инжекционных лазеров и являются наиболее распространённым типом твердотельных лазеров благодаря компактности, высокому КПД и низкой стоимости производства.

¶Принцип действия

Работа лазерного диода основана на двух фундаментальных процессах: инжекции носителей заряда и вынужденном излучении. При подаче прямого смещения на p-n-переход электроны и дырки инжектируются в активную область, где происходит их рекомбинация. В отличие от светодиода, в лазерном диоде создаются условия для инверсии населённостей — состояния, при котором число электронов в зоне проводимости превышает число дырок в валентной зоне.

Ключевым элементом конструкции является оптический резонатор Фабри—Перо, образованный двумя параллельными зеркальными гранями кристалла. Торцы диода скалываются по кристаллографическим плоскостям, образуя зеркала с коэффициентом отражения около 30 %. Фотоны, движущиеся вдоль оси резонатора, многократно отражаются от торцов, стимулируя рекомбинацию дополнительных электронно-дырочных пар. При достижении порогового тока усиление света превышает потери, и прибор переходит в режим лазерной генерации.

¶Устройство и материалы

Основой лазерного диода является полупроводниковая гетероструктура, выращенная методом эпитаксии. Наиболее распространённые материалы:

• Арсенид галлия (GaAs) — для излучения в инфракрасном диапазоне (780—980 нм);
• Фосфид индия (InP) — для телекоммуникационных длин волн (1310 и 1550 нм);
• Нитрид галлия (GaN) — для синего и фиолетового излучения (405—450 нм);
• Селенид цинка (ZnSe) — для зелёного диапазона.

Современные диоды строятся на основе двойной гетероструктуры, где активный слой с меньшей шириной запрещённой зоны заключён между слоями с большей шириной. Это обеспечивает эффективное удержание носителей заряда и оптического поля. Дополнительно применяются квантовые ямы и квантовые точки, повышающие температурную стабильность и снижающие пороговый ток.

¶Характеристики и параметры

Основные параметры лазерных диодов:

• Длина волны излучения — определяется шириной запрещённой зоны активного материала;
• Выходная мощность — от единиц милливатт (в лазерных указках) до сотен ватт (в многомодовых модулях);
• Пороговый ток — минимальный ток, при котором начинается лазерная генерация (обычно 10—100 мА);
• Расходимость пучка — значительная, обусловлена малым размером излучающей области (апертуры);
• Спектральная ширина линии — от долей нанометра до нескольких нанометров.

Различают одномодовые и многомодовые лазерные диоды. Одномодовые имеют узкий активный канал и излучают одну поперечную моду, что обеспечивает лучшее качество пучка. Многомодовые диоды имеют более широкую полосу излучения и применяются там, где требуется высокая мощность без жёстких требований к когерентности.

¶Виды лазерных диодов

• Лазерные диоды Фабри—Перо — классическая конструкция с резонатором из сколотых граней;
• Лазерные диоды с распределённой обратной связью (DFB) — содержат дифракционную решётку, обеспечивающую стабильную одиночную частоту;
• Лазерные диоды с внешним резонатором — для перестройки длины волны;
• VCSEL — лазеры с вертикальным излучением, излучающие перпендикулярно поверхности кристалла;
• Полупроводниковые лазерные усилители (SOA) — усиливают внешний оптический сигнал без резонатора.

¶Применение

Лазерные диоды находят применение в широком спектре областей:

• Оптическая запись — приводы CD, DVD, Blu-ray;
• Волоконно-оптическая связь — источники излучения в телекоммуникационных системах;
• Лазерные указки и целеуказатели;
• Медицина — хирургия, дерматология, офтальмология, стоматология;
• Промышленность — лазерная маркировка, резка, сварка, аддитивные технологии;
• Дальнометрия и навигация — лидары для автономного транспорта;
• Оптические датчики — лазерные гироскопы, энкодеры;
• Бытовая электроника — сканеры штрих-кодов, лазерные принтеры.

¶Преимущества и недостатки

К преимуществам лазерных диодов относятся высокая эффективность преобразования электрической энергии в свет (до 50—70 %), малые габариты, долговечность (до 100 000 часов), возможность прямой модуляции тока с частотами до десятков гигагерц и низкая стоимость в массовом производстве.

Недостатки включают чувствительность к перегреву и электростатическим разрядам, значительную температурную зависимость длины волны (около 0,3 нм/°C), широкую спектральную линию по сравнению с газовыми и твердотельными лазерами, а также сложность получения высококачественного пучка из-за эллиптической формы и расходимости.

¶История

Первый работающий лазерный диод был создан в 1962 году независимо группами Роберта Холла (General Electric), Ника Холоньяка (General Electric) и Маршалла Натана (IBM). Ранние образцы на основе GaAs работали в импульсном режиме при температуре жидкого азота. В 1970-х годах разработка гетероструктур Жоресом Алфёровым и Гербертом Крёмером позволила достичь непрерывной генерации при комнатной температуре, за что учёные получили Нобелевскую премию по физике в 2000 году. В 1980-х годах появились диоды с квантовыми ямами, а в 1990-х — нитридные синие лазеры, за создание которых Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамура удостоены Нобелевской премии 2014 года.

¶Источники

• Свелто О. «Принципы лазеров», 4-е издание, 2010.
• Као К. «Оптические волокна и лазерные диоды», 2001.
• Ж. Алфёров, «Двойные гетероструктуры: концепция и применения в физике, электронике и технологии», Нобелевская лекция, 2000.