ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ

Полупроводниковые лазеры, как маломощные, так и большой мощности, нашли широкое применение в самых различных областях. В этом разделе бу­дут кратко рассмотрены некоторые из них. Для начала в табл. 9.7 представле­ны некоторые характеристики наиболее широко используемых лазеров на двойном гетеропереходе и лазеров на квантовых ямах. Поскольку все пред­ставленные структуры выращены либо на подложке из GaAs, либо на подлож­ках из1пР, лазерные материалы характеризуются сочетанием «активный слой-подложка». Для каждого случая длина волны генерации лазера в основ­ном определяется эффективным коэффициентом преломления активного слоя (а для лазеров на квантовых ямах и толщиной этого слоя). В современных лазерах используются слои с раздельным ограничением (например, гетерост­руктуры с раздельным ограничением и градиентным профилем показателя преломления) на одиночных или множественных квантовых ямах в конфигу­рации как с активной, так и зачастую с пассивной волноводной структурой.

В А1хО&1_хА&/АуО&1_уАв лазерных структурах эффективный коэффици­ент преломления внешних слоев должен быть больше, чем эффективный ко­эффициент преломления х активного слоя. В зависимости от значения по­следнего длина волны излучения обычно лежит в диапазоне от 720 до 850 нм. Маломощные (Р = 5-20 мВт) однополосковые лазеры широко используются в проигрывателях компакт-дисков и в лазерных принтерах. Более мощные однополосковые лазеры, лазерные линейки, лазерные матрицы и массивы из лазерных линеек (рис. 6.9 и 6.10) используются для накачки твердотель­ных активных сред, таких как N(1 (длина волны накачки Хр = 800 нм), Тш:Но (кр = 790 нм) и СпЬЕЗАЕ (Хр = 670 нм). Некоторые из этих лазерных систем и соответствующие области их применения были рассмотрены в разделе 9.2 этой главы, а также в предыдущей главе.

В 1п1_^ОадА8уР1_[//1пР лазерах согласование постоянных решеток дости­гается при у = 2,2х, и длина волны генерации попадает в так называемое второе (с максимумом при X = 1310 нм, что соответствует х = 0,27) и третье (с максимумом при X = 1550 нм, что соответствует х = 0,42) окна прозрачно­сти оптических волокон. Таким образом, эти лазеры нашли самое широкое применение в области оптических коммуникаций. Новейшие системы опти­ческой связи используют лазеры с длиной волны примерно 1550 нм. Благо­даря достаточно большой дисперсии групповой задержки оптических воло­кон в этой области длин волн, в настоящее время широко используются РОС - лазеры с узкой шириной линии (Дух <10 МГц). С помощью этих лазеров была продемонстрирована модуляция сигнала со скоростью до нескольких гига­бит/с путем прямой модуляции тока, протекающего через диод. Были также продемонстрированы и более высокие скорости модуляции (до нескольких десятков гигабит/с) с использованием внешних модуляторов, таких как ЫпЬ03 волноводный модулятор. Для систем связи, работающих на еще бо­лее высоких скоростях передачи (в диапазоне от нескольких сотен гигабит/с до терабит/с) широко используются системы спектрального уплотнения. Для этих приложений используются РОС-лазеры, настроенные на определенную длину волны в области малой прозрачности (охватывающую область ~13 ТГц) в пределах 1550 нм. Такие системы, использующие устройства спектрально* го уплотнения, позволяют достигнуть исключительно высокой скорости пе­редачи информации.

1п1_хОахА8/ОаА8 лазеры с напряженными квантовыми ямами позволяю^ получить генерацию в широком, ранее недоступном, диапазоне длин в<
(900-1100 нм). Лазеры с длиной волны излучения 980 нм (х = 0,8) пред­ставляют особый интерес при использовании их для накачки Ег-активиро - ванных волоконных усилителей и лазеров, а также для накачки лазеров на стекле с УЬ:Ег и УЬ:¥АО лазеров. Для этих применений обеспечивается выходная мощность до ~ 100 мВт в дифракционно-ограниченном пучке (се­чением 1x4 мкм) и до ~1 Вт в устройствах с большей площадью перехода (до 1 х 30 мкм). Для получения более высоких выходных мощностей (~40 Вт и выше) используются линейки лазерных диодов и лазерные матрицы. Бла­годаря преимуществам лазерных систем на квантовых ямах с напряженным слоем, активно развиваются лазеры поверхностного излучения с вертикаль­ным резонатором, основанные на Ь^.^ОадАз/СаАв квантоворазмерных струк­турах. Ожидается, что они привнесут интересные решения в области оптиче­ских приборов, оптических коммуникаций и оптической обработки сигналов.

1пОаР/1пОаА1Р лазеры представляют особый интерес, поскольку они из­лучают свет в видимой красной области спектра [53]. Успешно развиваются квантоворазмерные 1п0 5Оа0 5Р/1п0 ^(Оа^^ДУо 5Р-гетероструктуры (где х = 0,5 для барьеров ямы и х = 0,7 для ограничивающих слоев, см. рис. 9.25), гене­рирующие свет с длиной волны 670 нм. Эти лазеры выпускаются серийно, и благодаря достаточно высокой мощности (до -20 мВт) и большому сроку службы используются в проигрывателях компакт-дисков, а также заменя­ют Не-Ые лазеры (излучающие в красном диапазоне) в таких устройствах, как сканеры штрих-кодов и измерительные приборы.

Развитие полупроводниковых лазеров отнюдь не ограничивается типами лазеров, представленными в табл. 9.7. В настоящее время находят все боль­шее применение диодные лазеры, работающие в коротковолновой части спек­тра (сине-зеленый диапазон). Сюда можно отнести лазеры на соединениях III—

V группы с добавлением нитридов, например 1п0>2Оа0 8Ы/1п0 05Са0 95К-струк - туры на множественных квантовых ямах, работающие в синем диапазоне длин волн (417 нм) [54]. Также для этой области спектра были продемонст­рированы широкозонные лазеры, основанные на элементах II-VI групп, на­пример ЕпСс^е/Епвве лазеры на квантовых ямах. Тем не менее, несмотря на многие годы интенсивного развития, эти лазеры до сих пор имеют некото­рые технологические ограничения, особенно это касается ограниченного вре­мени службы (-100 часов). И хотя проблема, связанная со сроком службы, также актуальна и для вышеупомянутых нитридных лазеров (менее 100 ча­сов), последние их усовершенствования и быстрое развитие указывают на то, что диодные лазеры на основе нитридов более перспективны в этой облас­ти спектра. Потенциально сине-зеленые лазеры представляют огромный ин­терес, например, для нового поколения проигрывателей компакт-дисков, где благодаря более короткой длине волны могут быть достигнуты существенно более высокие плотности записи.

Для длинноволновой области спектра уже упоминались соединения IV-

VI групп, такие как соли РЬ и вп (например, РЬвве, РЬвпТе и РЬвпве), позво­ляющие генерировать излучение в среднем и дальнем ИК-диапазоне (4-29 мкм). Однако все эти лазеры должны работать при криогенных темпера­турах (Т < 100 К), чтобы избежать таких проблем, как поглощение свободных носителей и увеличение вероятности безызлучательной релаксации, возни­кающей вследствие уменьшения ширины запрещенной зоны. Таким образом, в силу температурных ограничений, эти лазеры нашли лишь ограниченное применение (например, для спектроскопии). Тем не менее, следует отметить, что недавнее изобретение квантово-каскадного лазера является многообещаю­щим в плане развития лазерных источников среднего ИК-диапазона, не тре­бующих использования криогенных температур [56].

В этой главе были рассмотрены наиболее важные твердотельные, полупро­водниковые лазеры и лазеры на красителях. В этих лазерах используется дос­таточно плотная активная среда, и поэтому такие устройства обладают несколь­кими общими чертами. Первой характерной особенностью является то, что они в целом имеют широкие и интенсивные полосы поглощения, что подразумева­ет главным образом использование оптической накачки. Этот вид накачки прак­тически всегда применяется в твердотельных лазерах и лазерах на красителе, а иногда и в полупроводниковых лазерах. Высокие значения коэффициента по­глощения допускают использование лазеров с размерами до нескольких мик­рон (микролазеры). Второй важной характерной особенностью является то, что эти активные среды имеют широкую полосу люминесценции и, следовательно, широкую полосу усиления. С одной стороны, это предполагает перестройку час­тоты генерации в широком (до нескольких нанометров) диапазоне. С другой стороны, эта особенность позволяет генерировать импульсы с очень малой дли­тельностью (фемтосекундные импульсы) в режиме синхронизации мод. Третья характерная особенность заключается в том, что эффективность преобразова­ния (при оптической накачке для твердотельных сред и красителей и электри­ческой накачке для полупроводников) в упомянутых лазерах обычно достаточ­но велика. Также следует отметить, что все чаще применяется лазерная накач­ка, включающая в себя различные комбинации этих трех классов лазеров (например, твердотельные лазеры с диодной накачкой или лазеры на красите­лях с накачкой твердотельным лазером и т. д.), и таким образом позволяющая реализовать компактные и высокоэффективные лазерные системы. В заключе­ние необходимо отметить, что по всей видимости, плотные активные среды представляют собой одно из самых лучших решений в плане предъявляемых требований к параметрам выходного лазерного излучения в видимом и ближ­нем ИК-диапазонах, даже при высоких уровнях мощности.