لیزرهای نیمه هادی: مروری بر دستگاههای تجاری

فقط در طی چند دهه ، دیود لیزر نیمه هادی به خانواده ای از دستگاه های قابل اعتماد و قابل اعتماد تبدیل شده است که دارای بازده تبدیل فردی بهتر از 60 درصد ، توان خروجی مداوم چندین کیلووات ، نرخ مدولاسیون چند ده گیگا هرتز و طول موج از 0.4 است. تا بیش از 2 میکرومتر. در این مقاله ساختارها و مشخصات رایج ترین انواع تجاری مورد بحث قرار می گیرد.  

دیودهای لیزر از نظر طول موج ، توان ، طیف و کیفیت پرتو بسیار متفاوت هستند. با این حال ، آنها دو م fundamentalلفه اساسی با سایر لیزرها دارند: تقویت کننده نوری و تشدیدکننده که نور را از طریق عنصر تقویت کننده محدود و دوباره گردش می کند.

در لیزر دیود ، عنصر تقویت کننده یک اتصال PN متمایل به جلو است که در یک نیمه هادی باند پهن مستقیم تشکیل شده است. افزایش نوری از طریق ترکیب مجدد الکترونها و حفره های اتصال PN حاصل می شود. وقتی مغرضانه رو به جلو باشد ، الکترونها از سمت N تزریق می شوند در حالی که سوراخهایی از سمت P تزریق می شوند. هر دو الکترون و سوراخ در یک منطقه باند پایین قرار دارند که می توانند هنگام تحریک شدن توسط یک فوتون موجود ، خود به خود یا از طریق انتشار تحریک شده ترکیب شوند. (آنها همچنین می توانند بدون تابش مجدد ترکیب شوند ، یک روند انگلی باعث افت عملکرد می شود.)

ولتاژ کار با استفاده از باند گپ نور ساطع شده بعلاوه یک عامل خطی ناشی از مقاومت سری تعیین می شود. برای تابش 1 میکرومتر ، ولتاژ کار حدود 2 ولت است. لیزرهای دیود می توانند بسیار کارآمد باشند. به عنوان مثال ، پیشرفت های اخیر در بهره وری "دیوارپوش" (به عنوان مثال ، تبدیل قدرت ورودی الکتریکی به توان خروجی نوری) لیزرهای دیود که در محدوده طول موج 940 نانومتر کار می کنند ، به 70 درصد نزدیک می شود.

تشدید کننده به طور مداوم نور را چرخش می کند و مسئول انسجام بالا ، هم فضایی (قابل تمرکز در یک نقطه بسیار کوچک) و هم طیفی (متشکل از یک دامنه باریک از فرکانس ها) است. در اکثر موارد ، تشدیدکننده شامل یک راهنمای موج است که نور را در دو بعد محدود می کند و باعث می شود تا در یک مسیر غالباً خطی به جلو و عقب برود.

رزوناتور توسط آینه هایی محدود می شود که معمولاً با شکاف دادن صورت ها در هر انتهای موجبر ایجاد می شوند. تشدید کننده متشکل از دو آینه موازی صفحه را تشدید کننده فابری-پرو می نامند. بیشتر دیودهای لیزر از آن نوع هستند.

وجوه آینه با یک فیلم دی الکتریک پوشانده شده است تا بازتابندگی را کم یا زیاد کند و مقاومت در برابر آسیب ناشی از تراکم قدرت بسیار بالا - تا 100 مگاوات بر سانتی متر مربع را بهبود بخشد. به طور کلی ، یک وجه با پوشش بازتابنده بالا (99 درصد) پوشش داده می شود ، در حالی که موردی که خروجی از آن گرفته می شود ، از 1 تا 10 درصد بازتاب دارد. اکثر قریب به اتفاق لیزرهای دیود با قطبش در صفحه تراشه ساطع می کنند. موارد استثنا شامل برخی از لیزرهای قابل مشاهده است.

محل اتصال PN با پمپ برقی برای همه لیزرهای نیمه رسانا از نظر کیفی یکسان است - فقط در انتخاب مواد ، مواد نگهدارنده و ضخامت لایه متفاوت است ، که بر طول موج ، کارایی ، قابلیت کنترل قدرت و غیره تأثیر می گذارد.

ساختارهای اپیتکسیال یکسان یا مشابه نیز در چندین دستگاه غیر لیزر استفاده می شود: تقویت کننده های نوری نیمه هادی مورد استفاده در سیستم های انتقال فیبر نوری. و LED های ساطع کننده لبه ، به نام دیودهای فوق لامپ ، که یک تشعشع پهنای باند ناهماهنگ و ساطع می کنند که در سنسورهای مختلف تخصصی و سیستم های ارتباطی استفاده می شود.

مواد و طول موج ها

اصولاً لیزر دیود را می توان از هر نیمه هادی باند پهن مستقیم تولید کرد. با این حال ، لیزرهای کارآمد و تزریق شده الکتریکی به ساختارهای لایه ای دقیقاً دوپ شده از آلیاژهای مختلف احتیاج دارند که همگی با شبکه و یک لایه مطابقت دارند. این الزامات محدودیت هایی را در مورد مواد موجود ایجاد می کند.

لیزرهای نیمه هادی تجاری همه ترکیبات III-V هستند - آلیاژهای عناصر گروه III و گروه V در جدول تناوبی. دو خانواده بزرگ تجاری از لیزرهای نیمه هادی وجود دارد - آنهایی که روی لایه های GaAs رشد می کنند و آنهایی که روی لایه های InP رشد می کنند.

لیزرهای مبتنی بر GaAs از آلیاژهای Ga ، Al ، In و As ، P تشکیل شده اند که در ترکیبات شبکه ای مطابق با GaAs رشد می کنند. آنها می توانند در هر طول موجی از حدود 630 تا حدود 1100 نانومتر از خود ساطع کنند ، متداول ترین آنها تجاری 635 ، 650 ، 680 و 780 نانومتر است که در ذخیره سازی نوری و نمایشگرها استفاده می شود. 785 ، 808 ، 830 ، 920 و 940 نانومتر ، که برای کاربردهای مختلف پمپاژ و چاپ استفاده می شود. و 980 نانومتر ، که برای پمپاژ تقویت کننده های فیبر در ارتباطات از راه دور استفاده می شود.

لیزرهای مبتنی بر InP از آلیاژهای سازنده های مشابه ، Ga ، Al ، In و As ، P تشکیل می شوند ، اما در ترکیباتی که با شبکه مطابقت دارند با InP. دامنه آنها از حدود 1100 تا 2000 نانومتر است ، اما تا حد زیادی متداول ترین آنها انتشار دهنده های 1300 ، 1480 و 1550 نانومتر هستند که در ارتباطات فیبر نوری استفاده می شوند.

طول موج های طولانی تر - تا حدود 10 میکرومتر - با ترکیب مواد دیگر (به عنوان مثال ، Sb) در آلیاژ و / یا با استفاده از لایه های مختلف امکان پذیر است. طول موج کوتاه تر ، تا حدود 400 نانومتر ، با رشد GaN و آلیاژهای مربوطه نشان داده شده است ، و لیزرهای تجاری در نزدیکی UV در دست توسعه هستند.