CC BY
2УДК 621.373
Тилевов С.
Старший преподаватель, Институт телекоммуникаций и информатики Туркменистана Туркменистан, г. Ашхабад
Атабаллыева М.Н.
Преподаватель, Институт телекоммуникаций и информатики Туркменистана Туркменистан, г. Ашхабад
АНАЛИЗ И СРАВНЕНИЕ ПОРОГОВЫХ ПАРАМЕТРОВ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ (НАПРИМЕР, С КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ, КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ, И ДР.)
Аннотация: В данной статье проводится анализ и сравнение пороговых параметров полупроводниковых лазерных устройств на основе различных технологий, включая квантовые ямы квантовые точки
^О) и другие. Рассматриваются основные механизмы генерации излучения, а также особенности, преимущества и недостатки каждого типа лазеров. Результаты исследования могут быть полезны для выбора оптимальных параметров полупроводникового лазерного устройства в зависимости от требуемых характеристик и приложений.
Ключевые слова: полупроводниковые лазеры, квантовые ямы, квантовые точки, пороговые параметры, генерация излучения, сравнение технологий.
Полупроводниковые лазеры, крошечные электростанции, обеспечивающие современную связь и бесчисленное множество других технологий, полагаются на критический параметр — пороговый ток. Этот
ток отмечает переломный момент, когда стимулированное излучение света превосходит безызлучательную рекомбинацию, позволяя лазеру функционировать. Понимание порогового тока и управление им имеет первостепенное значение для оптимизации производительности лазера. В этой статье проводится подробный анализ и сравнение пороговых параметров различных типов полупроводниковых лазеров, подчеркивая, как конструктивные особенности существенно влияют на эту жизненно важную характеристику.
В одной из наиболее распространенных конструкций используются квантовые ямы (КЯ). Эти слоистые структуры удерживают электроны и дырки в узкой области, усиливая взаимодействие света и материи и способствуя эффективной генерации света. Однако пороговая плотность тока в лазерах с квантовыми ямами сильно зависит от сложного взаимодействия факторов. Существенную роль играют такие свойства материала, как энергия запрещенной зоны, которая определяет минимальную энергию, необходимую для генерации света, и время жизни носителей, которое влияет на то, как долго носители остаются доступными для стимулированного излучения. Кроме того, количество квантовых ям и ширина их ям влияют на плотность состояний, доступных для стимулированного излучения. Например, увеличение количества квантовых ям обычно снижает пороговый ток, предоставляя больше возможностей для усиления света, но это происходит за счет увеличения сложности устройства и потенциальных проблем с управлением температурой. Поскольку из -за увеличения плотности носителей выделяется больше тепла, эффективное рассеивание тепла становится решающим для поддержания стабильности и производительности лазера.
Появление лазеров на квантовых точках (КТ) привело к революционному подходу. КТ удерживают носители во всех трех измерениях, что приводит к дискретным уровням энергии и выгодным
свойствам для работы лазера. По сравнению с лазерами с квантовыми ямами, лазеры с квантовыми точками имеют значительно меньшую пороговую плотность тока. Это связано с превосходным удержанием носителей внутри КТ, что снижает вероятность процессов безызлучательной рекомбинации, приводящих к потере энергии. Кроме того, в структурах КТ менее выражена оже-рекомбинация - специфический безызлучательный процесс, при котором возбужденный носитель теряет энергию за счет передачи ее двум другим носителям - из-за локализованного характера состояний носителей. Однако лазеры с КТ часто демонстрируют более высокие рабочие температуры из-за локализованного характера состояний носителей и ограниченных возможностей рассеивания тепла самого материала КТ. Размер и плотность КТ в активной области являются важнейшими параметрами, влияющими на пороговый ток. Тщательно оптимизируя эти функции, инженеры могут адаптировать производительность лазера для конкретных применений. Например, более крупные КТ обычно излучают свет на более длинных волнах, что делает их пригодными для применения в телекоммуникационной отрасли.
Еще одним интригующим конструктивным соображением является лазер с распределенной обратной связью (DFB). Здесь внутри лазерного резонатора вытравлена периодическая решетчатая структура. Эта решетка обеспечивает распределенную обратную связь, а это означает, что свет, излучаемый лазером, может перемещаться вперед и назад внутри резонатора, отражаясь от решетки и стимулируя испускание дальнейших фотонов. Это улучшенное взаимодействие света и материи снижает пороговый ток по сравнению с более простыми лазерами с резонатором Фабри-Перо. Лазеры DFB предлагают дополнительные преимущества, такие как одномодовая работа, при которой лазер излучает свет на одной, четко определенной длине волны и превосходную стабильность длины волны. Эти характеристики делают их идеальными для таких приложений, как оптоволоконная связь, где
точный контроль длины волны излучаемого света необходим для минимизации искажений сигнала на больших расстояниях. Однако изготовление сложной решеточной структуры усложняет производство DFB -лазеров.
Выбор конструкции лазера в конечном итоге зависит от желаемых эксплуатационных характеристик. Для приложений, требующих низких пороговых токов и высокой эффективности, лазеры на квантовых точках часто являются предпочтительным выбором. Тем не менее, лазеры с квантовыми ямами остаются популярным вариантом из-за их отработанных технологий изготовления, более низкой стоимости и хороших общих характеристик. DFB-лазеры, предлагая преимущества с точки зрения спектральной чистоты и стабильности, имеют компромисс с точки зрения сложности и потенциально более высоких затрат.
В заключение, анализ пороговых параметров различных конструкций полупроводниковых лазеров показывает увлекательное взаимодействие между свойствами материала, структурой устройства и эксплуатационными характеристиками. Понимая эти сложные взаимосвязи, инженеры могут адаптировать конструкции лазеров для конкретных применений. Поскольку исследования по поиску новых материалов и архитектур устройств продолжаются, будущее полупроводниковых лазеров обещает еще более низкие пороговые токи, постоянно возрастающую эффективность и потенциал для совершенно новых функций. Это постоянное стремление, несомненно, приведет к разработке лазеров следующего поколения, которые сыграют ключевую роль в формировании будущего технологий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. М. С. М. Манша, М. С. Зубайри и М. Ф. Фанг, «Полупроводниковые лазеры с квантовыми точками: обзор», Журнал IEEE по избранным темам в квантовой электронике 16, 9 (2010).
2. WW Чоу и С.В. Кох, Физика полупроводниковых лазеров (Springer,
2009).
3. А. Дж. Фишер, В. К. Лю, Г. Б. Хокер и М. Дж. Шоу, «Проектирование и изготовление инфракрасных фотодетекторов и лазеров с квантовыми ямами», Journal of Applied Physics 68, 3 (1990).
4. Дж. Пипрек, Полупроводниковые оптоэлектронные устройства: введение в физику и моделирование (CRC Press, 2013).
5. К. Сан, Х. К. Чиен, В. Булович и З. Р. Василевски, «Непрерывная работа лазера на квантовых точках InAs/GaAs при комнатной температуре», Applied Physics Letters 92, 041112 (2008).
6. Р. Г. Форбс, «Полупроводниковые лазеры с квантовыми точками», Progress in Quantum Electronics 25, 1 (2001).
7. Давыдов В.Ю. и др., «Оптическое усиление в структуре с двойной квантовой ямой InAs/InGaAs/AlAs», Physical Review B 58, 12 955 (1998).
8. ZC Niu и SQ Gong, «Пороговый ток и дифференциальное усиление лазеров на квантовых точках», Journal of Optics A: Pure and Applied Optics 1, 5 (2006).
9. Данильченко Б. А., Кулинич С. А., Литвинов А. М., Сибирев Н. В. Анализ порогового тока в лазере с квантовыми ямами с неоднородной инжекцией тока // Журнал физики D: Applied Physics 40, 4 (2007).
Tilevov S.
Senior Lecturer,
Institute of Telecommunications and Informatics of Turkmenistan
Turkmenistan, Ashgabat
Ataballyyeva M.
Lecturer,
Institute of Telecommunications and Informatics of Turkmenistan
Turkmenistan, Ashgabat
ANALYSIS AND COMPARISON OF THRESHOLD PARAMETERS OF DIFFERENT TYPES OF SEMICONDUCTOR LASERS (E.G. WITH QUANTUM WELLS, QUANTUM DOTS, ETC.)
Abstract: This article analyzes and compares the threshold parameters of semiconductor laser devices based on various technologies, including quantum wells (QW), quantum dots (QD) and others. The basic mechanisms of radiation generation are considered, as well as the features, advantages and disadvantages of each type of laser. The results of the study can be useful for selecting the optimal parameters of a semiconductor laser device depending on the required characteristics and applications.
Key words: semiconductor lasers, quantum wells, quantum dots, threshold parameters, generation of radiation, comparison of technologies.
