RP Фотоническая энциклопедия - лазерные диоды, полупроводник, усиление, индексное управление, высокая мощность

1. Типы лазерных диодов
2. Длина волны излучения
3. Настройка ширины полосы пропускания и длины волны
4. Вольт-амперные характеристики
5. Эффективность преобразования энергии
6. Качество луча и формирование луча
7. Объединение луча
8. Генерация импульсов
9. Свойства шума
10. Время жизни устройства
11. Приложения
12. Связанные устройства

Найти более подробную информацию о поставщике на конец статьи энциклопедии или зайдите в наш

Вас еще нет в списке? Получите вашу запись!

Лазерные диоды с электрической накачкой полупроводниковые лазеры в котором усиление генерируется электрическим током, протекающим через ap − n-переход или (чаще) ap – i – n-структуру. В такой гетероструктуре электроны и дырки могут рекомбинировать, высвобождая части энергии в виде фотоны , Этот процесс может быть спонтанный , но также может быть стимулированный падающими фотонами, приводящими к оптическому усилению, и с оптической обратной связью в лазерный резонатор в лазер колебание. Статья о полупроводниковые лазеры более подробно описывает, как работает процесс лазерного усиления в полупроводнике.

Диодные лазеры являются лазеры на основе одного или нескольких лазерные диоды ,

Наиболее полупроводниковые лазеры основаны на лазерных диодах, но существуют также некоторые типы полупроводниковых лазеров, не требующие диодной структуры и, следовательно, не относящиеся к категории диодных лазеров. В частности, есть квантовые каскадные лазеры а также с оптической накачкой полупроводниковые лазеры. Последние могут быть изготовлены из нелегированных полупроводниковых материалов, которые не могут проводить значительные электрические токи.

Типы лазерных диодов

Рисунок 1. Схематическая установка излучающего лазера с малой мощностью. Показаны волновод и выходной луч, выходящий на один край пластины, но не электродные структуры.

Большинство лазерных диодов (LDs) построены как излучающие лазеры , где лазерный резонатор образован покрытыми или непокрытыми торцевыми гранями (сколотыми краями) полупроводниковой пластины. Они часто основаны на двойной гетероструктуре, которая ограничивает генерируемые носители узкой областью и в то же время служит волновод для оптического поля ( двойное заключение ). Поток тока ограничен той же областью, иногда используя изолирующие барьеры. Такие договоренности приводят к относительно низкой пороговая мощность насоса и высоко эффективность , Активная область обычно довольно тонкая - часто настолько тонкая, что действует как квантовая яма , В некоторых случаях, квантовые точки используются.

Некоторые современные виды ЛД имеют поверхностно-излучающий тип (см. ниже), где направление излучения перпендикулярно поверхности пластины, а усиление обеспечивается несколькими квантовыми ямами.

Существуют очень разные типы LD, работающие в очень разных режимах оптической мощности, длина волны , пропускная способность и другие свойства:

• Малые излучающие светодиоды генерируют от нескольких милливатт до примерно половины ватта выходной мощности в луче с высоким качество луча , Выход может быть выпущен в свободное пространство или соединен в одномодовое волокно , Такие лазеры могут быть спроектированы как указатели волновод структура, направляющая лазерное излучение в пределах ЛД) или получить руководство (где профиль луча остается узким благодаря преимущественному усилению на оси луча).
• Маленькие LD сделаны как лазеры с распределенной обратной связью (Лазеры DFB) или лазеры с отраженным брэгговским отражателем (DBR лазеры) с коротким резонаторы может достичь одночастотная операция иногда в сочетании с перестраиваемость по длине волны ,
• Диодные лазеры с внешней полостью содержат лазерный диод в качестве коэффициента усиления более длинного лазерного резонатора, укомплектованного дополнительными оптическими элементами, такими как лазерные зеркала или дифракционная решетка , Они часто Длина волны перестраиваемого и демонстрируют небольшое излучение ширина линии ,
• Широкие области лазерных диодов (также часто называемые широкополосными лазерными диодами , широкополосными лазерами или диодными лазерами высокой яркости ) генерируют до нескольких ватт выходной мощности. качество луча значительно хуже, чем у LD с более низким энергопотреблением, но лучше, чем у диодных полос (см. ниже). Конические широкополосные лазеры могут демонстрировать улучшенное качество и яркость луча.
• Пластинчатые оптические волноводные лазеры (SCOWL), содержащие область усиления многоквантовой ямы в относительно большом волноводе, могут генерировать выходной сигнал ваттного уровня в дифракционном пучке с почти круглым профилем.
• Высокая мощность диодные бары содержат массив излучателей широкого спектра, генерирующих десятки ватт с плохой качество луча , Несмотря на более высокую мощность, яркость ниже, чем у широкой области LD.
• Мощные уложенные диодные линейки (→ диодные стеки ) являются пакетами из нескольких диодных полос для генерации чрезвычайно высоких мощностей в сотни или тысячи ватт.
• монолитный полупроводниковые лазеры с поверхностным излучением (VCSEL) обычно генерируют несколько милливатт с высоким качеством луча. Существуют также версии таких лазеров с внешним резонатором ( VECSELs ), который может генерировать гораздо более высокие мощности при отличном качестве луча.

Лазерные диоды могут излучать луч в свободное пространство, но многие LD также доступны в волоконно-связанных форма. Последнее делает их особенно удобными, например, в качестве источников накачки для волоконные лазеры а также волоконные усилители ,

Длина волны излучения

Длина волны излучения лазерного диода по существу определяется шириной запрещенной зоны лазерно-активного полупроводникового материала: фотон энергия близка к энергии запрещенной зоны. В квантовая яма лазеры, есть также некоторое влияние на толщину квантовой ямы. Разнообразие полупроводниковых материалов позволяет охватывать широкие спектральные области. В частности, существует много тройных и четвертичных полупроводниковых соединений, в которых энергия запрещенной зоны может регулироваться в широком диапазоне, просто изменяя детали состава. Например, повышенное содержание алюминия (увеличенное х) в AlxGa1-xAs вызывает увеличение энергии запрещенной зоны и, следовательно, более короткую длину волны излучения. Таблица 1 дает обзор типичных систем материалов.

Материал лазерного диода
(активная область / подложка) Типичные длины волн излучения Типичное применение: хранение данных InGaN / GaN, SiC 380, 405, 450, 470 нм Лазерные указки AlGaInP / GaAs 635, 650, 670 нм, DVD-проигрыватели CD-плееры AlGaAs / GaAs 720–850 нм, лазерные принтеры, накачка твердотельных лазеров InGaAs / GaAs 900–1100 нм, накачка ЭДФА и других волоконных усилителей; Мощные VECSEL InGaAsP / InP 1000–1650 нм волоконно-оптическая связь

Таблица 1: Длина волны излучения различных распространенных типов лазерных диодов.

Обратите внимание, что некоторые лазерные диоды работают за пределами спектральных областей, указанных в таблице. Например, лазеры InGaN могут быть оптимизированы для более длинных волн излучения, достигая зеленой области спектра, хотя обычно с более низкими характеристиками. Кроме того, есть, например, свинцовые диоды для генерации средний инфракрасный свет.

Большинство лазерных диодов излучают в ближнем инфракрасный спектральная область, но другие могут излучать видимый (в частности, красный или же синий ) легкий или средний Инфракрасный свет ,

Настройка ширины полосы пропускания и длины волны

Большинство LD испускают луч с оптическим пропускная способность несколько нанометров. Эта полоса пропускания является результатом одновременного колебания нескольких продольных (и, возможно, поперечных) резонаторные моды ( многомодовые лазерные диоды ). Некоторые другие виды ЛД, в частности лазеры с распределенной обратной связью , работать в режиме одного резонатора (→ одночастотная операция ), так что ширина полосы излучения намного уже, обычно с ширина линии в мегагерц области. Дальнейшее сужение ширины линии возможно с внешние полости и особенно с узкополосной оптической обратной связью от эталонная полость (→ стабилизация лазеров ).

Длина волны излучения (центр оптический спектр ) многомодовых ЛД, как правило, чувствительны к температуре, как правило, с увеличением ≈ 0,3 нм на 1 К при повышении температуры в результате температурной зависимости усиление максимум. (Температура влияет на распределение тепловых населенностей в валентной зоне и зоне проводимости.) По этой причине температура перехода ЛД для диодная накачка из твердое состояние объемные лазеры должен быть стабилизирован, если поглощение пропускная способность лазерный кристалл узкий (например, всего несколько нанометров в ширину). Также возможно настроить длину волны излучения через температуру соединения.

Одномодовые диоды могут иметь значительно меньший температурный коэффициент длины волны излучения, поскольку резонансные частоты реагируют на изменения температуры меньше, чем оптическое усиление. Для приложений в сканировании лазерная абсорбционная спектроскопия , длина волны иногда сканируется при периодической работе лазера. Затем температура повышается во время каждого импульса тока и вызывает снижение оптической частоты. Длина волны лазеров с внешним резонатором также может быть настроена, например, вращением дифракционная решетка в лазерный резонатор ,

Вольт-амперные характеристики

Лазерные диоды имеют вольт-амперные характеристики, как и другие диоды. Существенный ток течет только выше для определенного критического напряжения, которое зависит от используемой материальной системы. (Критическое напряжение приблизительно пропорционально энергии запрещенной зоны материала, а также в некоторой степени зависит от температуры устройства.) Выше критического напряжения ток быстро увеличивается с ростом напряжения.

Рисунок 2: Ток против приложенного напряжения для лазерного диода 808 нм. Для тока 1,2 А, необходимого для номинальной выходной мощности 1 Вт, требуемое напряжение составляет примерно 1,8 В. (Для сравнения, энергия фотона для 808 нм составляет 1,53 эВ.) Обратите внимание, что эта кривая смещена вправо для повышения температуры устройства; затем получается более высокий ток для того же напряжения.

Лазерные диоды, как правило, не работают с приложением фиксированного напряжения, потому что текущий ток может очень чувствительно зависеть от этого напряжения, а также может существенно зависеть от температуры устройства. Может даже произойти катастрофический эффект убегания: высокий ток может привести к сильному повышению температуры, что может еще больше увеличить ток и, в конечном итоге, разрушить диод. Поэтому на практике обычно используют драйвер лазерного диода который стабилизирует определенный ток; это означает, что он автоматически регулирует напряжение так, чтобы получить желаемый ток. В качестве альтернативы используется режим постоянной мощности , когда ток привода автоматически регулируется для достижения желаемой выходной мощности.

Обратите внимание, что ток, а не напряжение определяет скорость, с которой носители вводятся в лазерный диод. Следовательно, существует сильная связь между протекающим током и испускаемым оптическая сила , По существу, выходная мощность ниже определенного порогового тока отсутствует, а выше лазерного порога выходная мощность возрастает примерно пропорционально току минус пороговый ток.

Эффективность преобразования энергии

Диодные лазеры могут достигать высоких электро-оптическая эффективность - обычно порядка 50%, иногда даже выше 60%. (Есть программы развития на пути повышения эффективности Высокая мощность лазерные диоды выше 70%.) Эффективность обычно ограничивается такими факторами, как электрическое сопротивление, утечка несущей, рассеяние , поглощение (особенно в легированных регионах), и спонтанное излучение , Особенно высокая эффективность достигается с помощью лазерных диодов, излучающих, например, около 940–980 нм (как, например, используется для накачки). иттербиевых волоконно-оптические устройства большой мощности ), тогда как диоды 808 нм несколько менее эффективны.

Наибольшая эффективность преобразования мощности обычно достигается не для самой высокой выходной мощности, а для несколько меньшей выходной мощности, поскольку тогда требуемое напряжение ниже.

Качество луча и формирование луча

Некоторые маломощные ЛД могут излучать лучи с относительно высоким качество луча (хотя высокий расходимость луча требует некоторой осторожности, чтобы сохранить это во время коллимационный ). Однако большинство более мощных ЛД имеют относительно низкое качество луча в сочетании с другими неблагоприятными свойствами, такими как большой расходимость луча высокая асимметрия радиус луча и качество луча между двумя перпендикулярными направлениями, и астигматизм , Не всегда легко найти лучший дизайн для формирование луча оптика, будучи компактной, простой в изготовлении и выравнивании, сохраняя качество луча и избегая интерференция полосы, устранение астигматизма, низкие потери и т. д. Типичные части такой оптики для формирования луча диодного лазера коллимируют линзы (сферическая или цилиндрическая), проемы а также анаморфные призменные пары ,

Объединение луча

Поскольку свет, излучаемый лазерным диодом, линейно поляризованный , можно совместить выходы двух диодов с поляризацией Разделитель луча Таким образом, можно получить неполяризованный луч с удвоенной мощностью одного диода, но с тем же качеством луча ( поляризационное мультиплексирование ). В качестве альтернативы, можно комбинировать лучи LD с немного различными длинами волн, используя дихроичные зеркала (→ спектральное объединение лучей ). Более систематические подходы объединение лучей позволяют комбинировать большее количество излучателей с хорошим качеством выходного пучка.

Генерация импульсов

Хотя самый распространенный режим работы из ЛД непрерывная операция волны многие LD также могут генерировать оптические импульсы , В большинстве случаев принцип генерации импульсов переключение усиления т.е. модулирование оптического усиления путем переключения тока накачки. Маленькие диоды также могут быть Режим автоподстройки для генерации пикосекундных или даже фемтосекундных импульсов. Модифицированные лазерные диоды могут быть устройства с внешней полостью или монолитный, в последних случаях часто содержащий разные секции, работающие с разным током.

Свойства шума

Различные типы диодов имеют очень разные шум свойства. интенсивность шума как правило, близко к Квантовый ограниченной только намного выше релаксационное колебание частота, которая очень высокая (часто несколько гигагерц). Однако было показано, что некоторые маломощные ЛД, работающие при криогенных температурах, проявляют даже значительные сжатие амплитуды интенсивность шума значительно ниже выстрел предел. Во всех полупроводниковых лазерах интенсивность шума обычно связана с фазовый шум , что делает эти шумовые свойства сильно коррелированными.

Как уже упоминалось выше, ширина линии значения очень разные. Многомодовые ЛД демонстрируют много избыточного шума, связанного с режим прыжков , Шум в разных режимах может быть сильно коррелирован, так что интенсивность шума в одиночных режимах может быть намного сильнее, чем шум объединенной мощности. Это имеет важное следствие, что интенсивность шума может быть увеличена, когда луч, например, диодного стержня, обрезан в апертуре или спектрально отфильтрован.

Диодный драйвер также может вносить большой вклад в лазерный шум, потому что даже очень быстрые флуктуации тока могут быть преобразованы в флуктуации интенсивности и фазы генерируемого света.

Время жизни устройства

При работе в надлежащих условиях диодные лазеры могут быть очень надежными в течение срока службы, составляющего десятки тысяч часов. Однако значительно меньший срок службы может быть обусловлен рядом факторов, таких как работа при слишком высоких температурах (например, вызванных недостаточным охлаждением) и скачками тока или напряжения, например, из-за электростатического разряда или плохо разработанных лазерных драйверов.

Существуют разные режимы отказов, в том числе катастрофические оптическое повреждение (ХПК) (с полным разрушением устройства в течение миллисекунд или менее) и устойчивой деградацией. Помимо условий эксплуатации, различные конструктивные факторы сильно влияют на срок службы. Например, было обнаружено, что конструкции с активными областями без алюминия имеют превосходную надежность и долговечность, и некоторые покрытия (или просто дополнительные полупроводниковые слои) на оптической поверхности также могут быть очень полезными. Детали некоторых продвинутых конструкций диодов не были раскрыты производителями, чтобы сохранить конкурентное преимущество.

Чтобы увеличить время жизни устройства, LD часто работают при пониженных уровнях тока (и, следовательно, выходной мощности). Умеренное снижение мощности может одновременно увеличить эффективность розетки из-за более низкого напряжения соединения, в то время как более сильное снижение снижает эффективность.

Приложения

Лазерные диоды используются в очень широком диапазоне Приложения , В следующем списке приведены некоторые важные примеры:

• Одномодовые LD с низким энергопотреблением и высоким качеством луча используются для записи и чтения данных на компакт-дисках, DVD-дисках, дисках Blu-ray и голографический носитель данных. Такие лазеры могут работать в разных спектральных областях от инфракрасный к синий и фиолетовый область, с более короткими длинами волн, допускающими более высокие плотности записи.
• Одномодовые LD широко используются в волоконно-оптическая связь особенно в передатчиках данных. В некоторых случаях модуляция данных осуществляется напрямую через ток привода.
• Одномодовые LD также применяются в лазерная спектроскопия (TDLAS) с очень компактными измерительными приборами малой мощности.
• Маленькие красные лазерные диоды (→ красные лазеры ) используются как лазерные указки ,
• Измерения расстояния часто делаются с модулированными диодными лазерами малой мощности. Подобные лазеры используются в лазерных принтерах, сканерах и сканерах штрих-кода.
• Широкие области лазерных диодов , диодные бары а также диодные стеки часто используются для диодная накачка из твердотельные лазеры , Волоконно-связанных LD широкого спектра также служат источниками волоконные усилители ,
• Некоторые виды хирургии (например, лечение увеличенной простаты) и дерматологические методы лечения могут быть выполнены с помощью облучения от диодные бары ,
• Высокая мощность диодные стеки непосредственно используются при обработке материалов в тех случаях, когда высокий качество луча не требуется, например, для поверхностного упрочнения, сварки и пайки. По сравнению с другими мощные лазеры , они проще и имеют гораздо лучше эффективность розетки ,

С точки зрения объемов продаж, приложения для оптического хранения данных и телекоммуникации являются очень доминирующими. Третье по важности применение - накачка твердотельных лазеров - уже имеет объемы продаж, которые почти на порядок ниже, чем в ранее упомянутых секторах.

Лазерные диоды малой мощности приносят наибольший доход среди всех типов лазеров - в основном за счет применения в области связи и хранения данных. Мощные лазерные диоды имеют гораздо меньшие объемы продаж и объемы продаж и используются в основном для дисплеев (с быстрым ростом), медицинская и военные применения. Прямое использование мощных лазерных диодов для обработки материалов его пока небольшого объема, но демонстрирует быстрый рост.

Связанные устройства

Список используемой литературы

[1] Р. Н. Холл и соавт. «Когерентное излучение света от GaAs-переходов», Phys. Преподобный Летт. 9 (9), 366 (1962) [2] Н. Холоняк и С. Ф. Беваква, «Когерентное (видимое) излучение света от соединений Ga (AS1 − xPx)», Appl. Phys. Lett. 1, 82 (1962) [3] JF Butler и соавт. «Свойства диодного лазера на PbSe», IEEE J. Квантовый Электрон. 1 (1), 4 (1965) [4] CA Wang и SH Groves, «Новые материалы для диодной лазерной накачки твердотельных лазеров», IEEE J. Квантовый Электрон. 28 (4), 942 (1992) [5] PJ Delfyett et al. «Мощные сверхбыстрые лазерные диоды», IEEE J. Квантовый Электрон. 28 (10), 2203 (1992) [6] JG Endriz et al. , «Мощные диодные лазерные матрицы», IEEE J. Квантовый Электрон. 28 (4), 952 (1992) [7] JV Moloney et al. «Квантовое проектирование полупроводниковых активных материалов: применение лазеров и усилителей», Лазер и Фотон. Ред. 1 (1), 24 (2007) [8] В.В. Чоу и С.В. Кох, Основы полупроводниковых лазеров , Спрингер, Берлин (1999) [9] Л.А. Колдрен и С.В. Корзин, Диодные лазеры и фотонные интегральные схемы , Джон Уили и сыновья, Нью-Йорк (1995)

(Предложите дополнительную литературу!)

Смотрите также: диодные лазеры , полупроводниковые лазеры , лазеры с распределенной обратной связью , лазеры с отраженным брэгговским отражателем , лазерные диоды широкого спектра действия , диодные бары , диодные стеки , диодные лазеры с внешним резонатором , полупроводниковые лазеры с поверхностным излучением , лазерные диодные модули , волоконные диодные лазеры , формирователи луча , прямые диодные лазеры , драйверы лазерных диодов
и другие статьи в категории лазеры

Если вам понравилась эта статья, поделитесь ею с друзьями и коллегами, например, через социальные сети:

Похожие

Комментарии