XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

ВВЕДЕНИЕ

В начале XX века возник новый раздел физики (квантовой электроники). Это раздел, изучающий принцип работы и применение квантовых генераторов (лазеров) [1]. Вопрос о ценности и актуальности полупроводниковых лазеров неоднократно рассматривался многими специалистами на протяжении длительного периода времени и признан перспективным. Исследования в области квантовых генераторов представляют собой большой научный интерес. Будучи широко распространенными, квантовые генераторы применимы во многих сферах деятельности и используются в электронной промышленности. Сегодня полупроводниковые квантовые генераторы (далее – ПКГ) стали важной частью науки и техники. Они используются в метрологии, телекоммуникации, охранных системах, хирургии, квантовой криптографии и быту. В ближайшем будущем возможно расширение направлений исследований и применений ПКГ. В качестве примера можно рассмотреть отрасль телекоммуникации, учитывая способность ПКГ быстро переключать и модулировать оптическую мощность. Это применяется в оптоволоконных линиях связи. Целью данной работы является изучение истории ПКГ, рассмотрение его конструкции, принципа действия и оценка возможностей его дальнейшего использования в науке и технике.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Изначально научное сообщество считало, что полупроводниковый лазер невозможен ввиду теории рекомбинации. Позже началась гонка за его открытие. Первыми идею использования лазеров на полупроводниках, подкрепленную теоретическим обоснованием, сформулировали П.Г Басов, Б.М Вул и Ю.М Попов в 1958 г [1]. В итоге первый полупроводниковый лазер был создан в 1964 г. Этот ПКГ обладал низкими потребительскими характеристиками, а именно: требовалось охлаждение, был низкий КПД и высокий порог возбуждения. Тем не менее, создание лазеров на полупроводниках открыло новые возможности получения активной среды управления длиной волны и интенсивностью лазерного излучения.

Исходя из терминологии, ПКГ есть «твердотельный лазер, в котором в качестве рабочего вещества используется полупроводник». В классическом понимании лазер состоит из трех частей: активной среды, накачки и оптического резонатора. Основным отличием полупроводникового лазера от других его видов является механизм возникновения излучения. Преимуществами более поздних версий ПКГ является их компактность, простота возбуждения, конструкции и высокий КПД. Принцип действия ПКГ основан на переходах между зоной проводимости и валентной зоной [3].

Рис.1. Конструкция первого ПКГ.

Конструкция ПКГ, представленная на рис.1,имеет форму параллелепипеда активной области с толщиной d, шириной W и длиной .. Активная среда представляет собой полупроводниковые кристаллы. Сколотые торцы кристаллов действуют как оптический резонатор, их стороны параллельны друг другу и играют роль зеркал. Для уменьшения отражения оптического излучения, боковые грани кристалла имеют шероховатую поверхность. Через p-n переход совершается накачка путем протекания электрического тока I _лд в активную среду [2]. В результате рекомбинации излучаются фотоны, происходят лазерные колебания и генерируется лазерный луч.

)

Рис. 2. Зонная диаграмма. Излучение фотона в полупроводнике.

Накачка ПКГ может производиться не только путем электрического тока, но и путем электромагнитного излучения или электронного пучка. В качестве материала для создания первых полупроводниковых использовали германий (Ge), арсениды галлия (GaAs) и галлия-алюминия (AlGaAs).

Плотность порогового тока есть основная характеристика ПКГ [4]. Она определяет уровень и эффективность накачки. Представлен график зависимости между пороговым током и температурой.

Рис. 3. Зависимость плотности порогового тока от температуры.

В результате исследований зависимости порогового тока от температуры было установлено, что пороговый ток возрастает при повышении температуры. Для математического описания используют формулу , где A и T₀ являются параметрами, T₀ имеет смысл характеристической температуры [4]. Для лазерной генерации, чем меньше требуемая плотность порогового тока - тем лучше.

Не менее важным требованием являются срок службы устройства и КПД. Первые полупроводниковые лазеры выходили из строя буквально через несколько минут, имели очень высокие параметры порогового тока, обладали низкой надежностью и КПД. Ввиду перегрева данный вид лазеров не отличался долговечностью, и не мог нормально функционировать, кроме как при температуре ниже комнатной. Для успешного функционирования при комнатной температуре нужно было снижать пороговый ток. Увеличение срока эксплуатации устройства потребовало создание лазеров на основе многослойных полупроводниковых структурах (они же гетеролазеры). Это получилось у группы Ж. И Алферова в 1968-1970 г [1]. С введением гетероструктур лазеры могли работать непрерывно при комнатной температуре, отличались меньшим пороговым током и имели более высокий КПД. В результате лазеры на гетероструктурах вытеснили своих предшественников. Гетеролазеры вступили в массовое производство и нашли широкое применение в информатике и IT-технологиях.

Рис. 4. ПКГ на гетероструктуре.

Еще больший результат показали лазеры на двойной гетероструктуре. Через некоторое время после создания гетеролазеров Алферову Ж. И. и его сотрудникам удалось создать первый лазер на двойной гетероструктуре. Данный вид лазеров имеет еще более высокий КПД, меньшую пороговую плотность тока и перспективу использования в оптической связи. Гетеролазер представляет собой многослойную конструкцию, где середина – это активный слой, а обкладки являются эмиттерами. Активным слоем у гетеролазера является узкозонный слой полупроводника между двумя широкозонными. На рис. 4 представлен лазер с двойной гетероструктурой, помимоактивного слоя p (арсенид галлия (GaAs)), он содержит несколько слоев оболочки n (на рисунке в роли оболочки выступают арсениды галлия-алюминия (AlGaAs)) и подложку n (арсенид галлия (GaAs)). Активный слой двойного гетеролазера на основе контакта двух полупроводников способен создавать потенциальные ямы.

В поисках совершенствования полупроводниковых лазеров ученые пришли к идее использовать квантовые ямы. Образующуюся потенциальную яму во время гетеропереходов, заставляющую двигаться частицы в плоском слое называют квантовой ямой (рис. 5).

Рис. 5. Квантовая яма

Иначе говоря, если толщина активного слоя полупроводникового лазера уменьшится до очень маленьких размеров, возникнет квантовая яма. Сейчас это используют для создания лазеров на квантовых ямах.

Если в лазере присутствует более одного слоя, содержащего квантовые ямы, то его называют лазером с множественными квантовыми ямами. В результате исследований было выявлено, что плотность порогового тока убывает от числа квантовых ям. На рис.6 представлена зависимость между числом квантовых ям n_QW и величиной порогового тока J.

Рис. 6. Зависимость плотности порогового тока от числа квантовых ям.

Таким образом, благодаря изменению числа квантовых ям, возможно уменьшение порогового тока до его минимального значения.

Лазеры на квантовых ямах начали создавать сравнительно недавно.

Рис. 7. Лазер на квантовых ямах.

На рис. 7 представлен лазер с квантовыми ямами. Средний тонкий слой активной среды между слоями(арсенида галлия-индия InGaAs) полупроводникового волновода представляет собой квантовые ямы. Она основана на полупроводниковых наноструктурах. Преимуществом лазеров на квантовых ямах является возможность частичной перестройки за счет изменения толщины активного слоя. Имея большой КПД и маленькую мощность, они используются в волоконно-оптических линиях связи и оптических приборах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПКГ в современном обществе является важным приобретением в области квантовой электроники. Он прошел путь от избыточного устройства до перспективной и широко применимой конструкции. В настоящее время он широко используется в промышленности и научных исследованиях. Преимуществами ПКГ являются высокий КПД, компактность, возможность частичной перестройки, простота конструкции, а ввиду постоянной модернизации данного технического устройства возможно расширение направлений его деятельности.

Литература

1. Богданкевич О. В., Дарзнек С. А., Елисеев П. Г.Полупроводниковые лазеры. Москва: "Наука", 1976. – 416 с.

2. Баженов Н.Л. и др. Температурная зависимость порогового тока лазеров на квантовых ямах /Н.Л. Баженов¶, К.Д. Мынбаев, В.И. Иванов-Омский, В.А. Смирнов, В.П. Евтихиев, Н.А. Пихтин, М.Г. Растегаева, А.Л. Станкевич, И.С. Тарасов, А.С. Школьник, Г.Г. Зегря //Физика и техника полупроводников.2005, Т. 39, Вып. 102. – С. 1252-1256.

3. Грибковский В. П.Полупроводниковые лазеры: Учеб.пособие по спец. «Радиофизика и электроника». — Мн.: Университетское, 1988.— 304 с.

4. Материалы квантовой электроники : Учебное пособие для втузов / Н. Г. Рябцев ; Ред. Е. А. Верный . – М. : "Советское радио", 1972 . – 384 с. 

5. Качмарек Ф. Введение в физику лазеров. - Москва: "Мир", 1980. -540 с.

6. Жуков А.Е. Лазеры на основе полупроводниковых наноструктур. – СПб: "Элмор", 2007.- 304 с.

Код для цитирования: Скопировать