Лазерные диоды: принцип работы, виды и применение
Изобретение полупроводникового лазерного диода считается одним из величайших достижений в области физики во второй половине прошлого века. Независимые разработки советских и американских ученых в области оптического излучения твердых материалов, выполненные более полувека назад, сегодня показали свою эффективность в бытовой, промышленной и военной сферах. В отличие от диодов световой связи, лазерные диоды имеют более сложный принцип действия и кристаллическую структуру, так как их работа основана на спонтанном излучении фотонов.
Содержание статьи:
Принцип работы
Чтобы понять, откуда берутся фотоны, рассмотрим процесс рекомбинации (исчезновение пар свободной среды — электронов и дырок). Инжекция происходит при подаче напряжения непосредственно на p-n переход диода. Быстрое увеличение концентрации неравновесной среды. Инжекция, в процессе движения навстречу друг другу, выделяет энергию в виде электронов и дырок рекомбинирует, частиц — фотонов и квазичастиц — фононов. Именно таким образом в светодиодах наблюдается спонтанное излучение.
В случае лазерных диодов вместо спонтанного должен быть задействован механизм принудительного излучения фотонов с теми же параметрами. Для этого из кристалла формируется оптический резонатор, в котором фотоны с определенной частотой вливают силу для рекомбинации электронной среды. Это способствует появлению новых фотонов с той же поляризацией и фазой. Они называются когерентными.
В то же время лазерная генерация возможна только в случае чрезмерно больших объемов электронной среды верхних энергетических уровней, излучаемых в результате инжекции. Для этого используется ток накачки такой силы, который вызывает инверсию электронных населенных пунктов. Это явление означает, что верхняя часть гораздо больше заселена электронами, чем нижняя. В результате стимулируется излучение когерентных фотонов.
Кроме того, такие фотоны многократно отражаются от оптических резонансных поверхностей, вызывая запуск положительной обратной связи. Это явление носит лавинообразный характер и приводит к возникновению лазерного луча. Таким образом, для создания любого оптического генератора, включая лазерные диоды, должны быть выполнены два условия.
- Наличие когерентных фотонов;
- Конфигурация положительной оптической обратной связи (ПОС).
Для того чтобы сформированный луч не рассеивался из-за дифракции, устройство комплектуется собирающей линзой. Тип установленной линзы зависит от типа лазера.
Виды лазерных диодов
За годы развития лазерные диодные устройства претерпели множество изменений. Их конструкция совершенствовалась в основном за счет внешнего вида высокотехнологичного оборудования. Высочайшая точность легирования и полировки полупроводниковых кристаллов, создание гетероструктурных модельных факторов, обеспечивающих высокие коэффициенты отражения и формирование когерентного излучения на границах «выставки кристаллов».
Первые лазерные диоды (однородные диоды) имели один P-N переход и могли работать только в импульсном режиме из-за быстрого перегрева кристалла. Он имеет лишь историческое значение и не применялся на практике.
Более эффективными оказались лазерные диоды с двойной гетероструктурой (диоды ДГС). Их кристаллы были основаны на двух гетероструктурах. Каждая гетероструктура представляет собой материал (арсенид галлия и арсенид алюминия галлия) между слоями с большей шириной запрещенной зоны. Преимуществом лазерных диодов с ДГС является значительное увеличение концентрации мультиполярной среды в тонких слоях, что значительно ускоряет проявление положительной обратной связи. Кроме того, отражение фотонов от гетерограммы приводит к уменьшению концентрации в областях с низким усилением. Это означает, что общая эффективность устройства увеличивается.
Лазерные диоды range finder laser diode с квантовыми ямами устроены по принципу диода ДГ, но с более тонкой активной областью. Это означает, что фундаментальные частицы, попадающие в такие потенциальные ямы, начинают двигаться в одной плоскости. Эффект квантования в этом случае заменяет потенциальный барьер и действует как генератор излучения.
В связи с недостаточной эффективностью поддержания оптического потока в диоде ДГС был создан гетероструктурный лазер с индивидуальным удержанием. В этой модели кристалл дополнительно покрыт слоями материала с обеих сторон. Несмотря на низкий показатель преломления этих слоев, они уверенно удерживают частицы и выступают в роли более прочного прижимного колеса.Технология SCH занимает лидирующие позиции в производстве диодных лазеров.
Лазерные диоды с распределенной обратной связью (РОС) являются частью оптического оборудования в области построения телекоммуникационных систем. Длина волны выращенного лазера постоянна и достигается путем нанесения поперечной насечки на полупроводники P-N-перехода. Насечка выполняет функцию дифракционной решетки, тем самым возвращая в резонатор фотоны только одной (заданной) длины волны. Эти когерентные фотоны участвуют в усилении.
В отличие от ранее рассмотренных устройств, поверхностно-излучающие лазерные диоды с вертикальным резонатором или вертикальный светоизлучающий строительный лазер (англ. VCSEL) излучают пучок света перпендикулярно поверхности кристалла.Конструкция VCSEL основана на использовании вертикальных оптических микрокорпусов с зеркалами и на ЦВС и квантовых Преимуществами технологии VCSEL являются температурная и радиационная стабильность при групповом производстве кристаллов и возможность прямого тестирования на этапе производства.
Модификацией VCSEL является вилка с внешним резонатором (по-английски — VECSEL). Оба лазерных диода устроены как высокоскоростные устройства, которые в будущем могут гарантировать передачу данных со скоростью до 25 Гбит/с по оптоволоконной связи.
Разновидности корпусов
Широкое применение лазерных диодов заставило производителей самостоятельно разрабатывать новые типы корпусов. Учитывая их специфическое назначение, компании выпускали все новые и новые типы защиты и охлаждения кристаллов, что привело к отсутствию единообразия. В настоящее время не существует международных стандартов, регулирующих работу лазерных диодов. Пытаясь разобраться в ситуации, крупные производители заключают между собой соглашения о единстве корпуса. Однако перед реальным применением неизвестного лазерного диода всегда следует уточнить цель заключения и длину волны излучения, несмотря на привычный тип корпуса. Среди промышленно выпускаемых полупроводниковых лазеров наиболее распространены два типа, включая следующие случаи Одно устройство с открытым оптическим каналом:
- to-kan (Transistor-Out-Line Metal-Can package). Корпус изготовлен из металла и используется для производства транзисторов;
- C-mount;
- D-mount.
2 устройства с волоконными выходами:
- dil (dual-in-line);
- dbut (dual-butterfly);
- sbut (single-butterfly).
Применение
Каждый тип лазерного диода находит практическое применение благодаря своим уникальным особенностям. Как свидетельствует их использование в детских игрушках и наркомании, стоимость маломощных образцов значительно снижается. Вооружившись лазерным дальмаром, можно измерять расстояния и проводить связанные с этим расчеты. На красном лазере основана работа штрих-кодов, компьютерных манипуляторов и устройств для чтения DVD-плееров. Некоторые виды используются для проведения научных исследований и накачки других лазеров. Лазерные диоды наиболее востребованы для передачи данных в волоконно — оптических сетях. Новая модель VCSEL обеспечивает скорость 10 Гб/с. Это открывает дополнительные возможности для целого ряда коммуникационных услуг, таких как:
- Способствуют росту скоростей Интернета;
- Улучшение телефонной и видеосвязи;
- Улучшение качества приема телевидения.
Результатом усовершенствования лазерных диодов является увеличение срока службы, что сравнимо с развитием светодиодов, которые теперь отказывают Уменьшение тока накачки повышает надежность устройства, а его вклад в развитие технического прогресса уступает вкладу других электронных компонентов.
