CC BY
212
УДК 621.317:620.179.1
Н.Р. Рахимов, И.А. Сатволдиев
СГГ А, Новосибирск
ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ЛАЗЕРНЫХ ДИОДОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ОПТРОНА ОТКРЫТОГО КАНАЛА
В статье описаны перспективы оптоэлектронного приборостроения, материалы полупроводникового лазера, принципы действия, а также режим работы лазерного диода.
N.R. Rakhimov, I.A. Satvodiyev SSGA, Novosibirsk
APPLICATION OF MODERN LASER DIODES FOR DEVELOPING OPEN CHANNEL OPTICAL COUPLER
The progressive sides of opto-electronic device construction, materials of semiconductor laser, configuration, Principe of laser diode action are described. The salvation of the laser diode work is given also.
Оптрон открытого канала, оптронная интегральная микросхема - эти понятия с каждым годом становятся известными все более широким кругам специалистов в области радио- и оптоэлектроники. Развитие оптронной техники уверенно вступило в стадию массового промышленного производства. Оптроны закрытого канала все чаще находят применение в электронной аппаратуре.
Оптронами называют оптоэлектронные приборы, в которых имеются источник и приемник оптического излучения (ПОИ) (излучатель и ПОИ) с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно связанные друг с другом.
Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик.
В настоящее время за рубежом серийно выпускаются десятки марок полупроводниковых лазеров. Например, американский фирмой “AT&T Bell Laboratories” выпускаются серийные лазерные диоды (ЛД), так называемые «рассеченный лазер со связанными резонаторами» (cleaved - coupled - cavity
-5
laser) или по буквам английского названия «С - лазер» [1,2].
Используемые в полупроводниковом лазере полупрозрачные зеркала - это современная модификация оптического прибора, изобретенного в 1896 г. Французскими ученными Ш.Фабри и А.Перо. Поэтому ограничения, которые относятся к этому прибору (интерферометр Фабри - Перо) также относятся к лазеру.
Материалом для полупроводникового лазера служит четвертная система индий - фосфор - мышьяк.
В области ^-«-перехода исчезнет одновременное вырождение электронов и дырок, а, следовательно, и инверсия населенностей. Для того, чтобы снова создать инверсию населенностей в ^-«-переходе, нужно приложить к переходу электрическое напряжение ^ как показано на рис. 1.
Рис. 1. Энергетическая схема ^-«-перехода при наложении напряжения ^
Wэ и Wд - уровни Ферми; е - заряд электрона
При этом через ^-«-переход потечет электрический ток, состоящий из двух компонентов: электронов и дырок, двигающихся навстречу друг другу. Эти два потока частиц встречаются в тонком слое перехода и рекомбинируют, излучая свет. Это означает, что число вынужденно испущенных фотонов будет превышать число фотонов поглощенных.
Лучшие результаты дает лазерный ^-«-переход в GaAs. Он может излучать до 10 Вт когерентного света с очень малой площади (толщина излучаемого слоя р-п-перехода - 2 мкм, а длина излучающей части «1 мкм). Мощность,
л
снимаемая с 1 см , может достигать до 100 кВт. Существенно, что такие мощности удается получить в непрерывном режиме, т. е. при питании полупроводниковых лазеров постоянным током.
В спонтанных процессах носитель заряда при переходе из одной энергетической зоны в другую поглощает или испускает фотон. Энергия этого фотона определяется ДE - шириной запрещенной зоны полупроводника [3,4]. В соответствии с квантовой теорией возбужденный электрон, инжектированный в базовую область, рекомбинируя с дыркой, и спускает квант энергии излучения. При этом максимальная энергия, которая может выделиться при рекомбинации, равна ширине запрещенной зоны данного полупроводника:
ДE = Ьу
где И - постоянная Планка; V - частота колебаний электромагнитной энергии Основные параметры инжекционных лазеров приведены в табл. 1.
Длина волны (X) фотона определяется его энергией. Поэтому для получения нужной X, надо выбрать конкретный полупроводниковый материал.
В ближайшие годы на базе уже имеющихся излучателей будет созданы и апробированы новые лазерные терапевтические аппараты на следующих длинах волн: Х(фиолетовый) = 308 нм, Х(зеленый) = 532-538 нм, X = 570 нм, X = 780 нм, X = 890 нм, X = 1,26-1,28 нм.
Таблица 1
№№ п/п Тип полупроводников Рабочая температура, °С Длина волны излучения, нм Цвет излучения
1 2пБ 80 330,0 ультрафиолетовый
2 2пБе 80 453,0 фиолетовый
3 СёБ 4-300 485,0-796,0 зеленый
4 СёБе 80 610,0 оранжевый
5 СёБе 80 695,0 красный
6 ОаТе 4-80 790,0-796,0 красный
7 ОяРЛб 80-300 830,0-536,0 темно-красный
8 ОаЛБ 4-300 820,0-900,0 инфракрасный
9 ОаБЬ 20 1 530,0 инфракрасный
10 InАs 20 3 008,0 инфракрасный
11 1пБЬ 20 4 995,0 инфракрасный
12 Те 20 3 844,0 инфракрасный
13 рьб 4 4 270,0 инфракрасный
14 РЬТе 4 6 410,0 инфракрасный
15 РЬБе 4 8 550,0 инфракрасный
Современное оптоэлектронное устройство состоит из трех основных элементов: а) излучателя (лампа накаливания, светоизлучающий диод (СИД), лазерный диод и т. д.); б) различных линз (линза в виде полушара, шарообразные, цилиндрические линзы и т. п.); в) приемников оптического излучения (ПОИ) (фоторезисторы, фототранзисторы, фотодиоды, фототиристоры, АФН - приемники и п.).
Основными фотоприемниками для оптронов являются кремниевые приборы с р-п{р-ь«)-структурами, применительно к которым и ведутся физические и конструкторско-технологические исследования.
При конструировании оптронов исследования концентрируются в следующих направлениях:
- Анализ распространения излучения в оптически неоднородных средах;
- Высокие диэлектрические характеристики;
- Хорошая адгезия к полупроводникам излучателя и фотоприемника;
- Решение проблемы согласования элементов оптронов (излучатель, приемник, оптическая среда) по спектральным, электрическим характеристикам;
- Эксплуатационным, надежностным характеристикам и технологическим показателям;
- Разработка и промышленное освоение микроминиатюрных конструкций оптронов, пригодных для механизации и автоматизации сборочных процессов.
Применение современных лазерных диодов для создания оптрона открытого канала обладает следующими качествами:
1. Относительно направленным угловым распределением излучения (угол при вершине конуса пучка света, выходящего из активной области ЛД, может составлять 10^30°), определяемым модовой структурной пучка света на выходе из резонатора в диоде.
2. Относительно малым временем отклика при модуляции (0.01^1 нс), обусловленным сильным взаимодействием света и носителей в процессе стимулированной рекомбинации.
3. Нелинейностью соотношения между рабочим током и излучением на выходе, если сила рабочего тока не достигает своего порогового значения, необходимого для возникновения стимулированного излучения.
4. Узким спектром излучения (0.2^2 нм для лазера многоводного и менее 0.01 нм для одномодового).
Полупроводниковый лазер - это следующий этап развития оптоэлектроники, и его эксплуатационные характеристики и скрытые в нем возможности могут оказаться весьма полезными во многих областях науки и техники.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Рахимов, Н.Р. АФН-пленки и их применение / Н.Р. Рахимов, А.Н. Серьёзнов: монография. - Новосибирск: СибНИА, 2005. - 64с.
2. Рахимов Н.Р. Оптоэлектронные датчики на основе АФН-эффекта / Н.Р. Рахимов, О.К. Ушаков. - Новосибирск: СГГА, 2009 - 148с.
3. Ларюшин, А.И. Оптоэлектроника в промышленности и в медицине / А.И. Ларюшин. - Казань: 1997 - 320 с.
4. Курбатов, Л.Н. Оптоэлектроника видимого и инфракрасного диапазонов спектра / Л.Н. Курбатов. - М.: Изд-во МФТИ, 1999. - 320 с.
© Н.Р. Рахимов, И.А. Сатволдиев, 2010
