Post on 15-Jan-2016
description
Diody świecące i lasery półprzewodnikowe
Od poziomów energetycznych w atomie do pasm energetycznych w krysztale
Energia
Pasma energetyczne
Poziom 1
Poziom 2
Odległość atomów
Pasmo, czyli zbiór poziomów energetycznych
elektrondziura
Energia
Złącze p-n
What is a Diode?
Złącze p-n
• Złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia
• Energia emitowanego promieniowania pochodzi z rekombinacji pary dziura–elektron w półprzewodniku
• Elektron i dziura spotykając się w obszarze złącza mogą ulec rekombinacji promienistej - energia w całości lub większej części jest przekazywana fotonowi i wraz z nim wypromieniowana
kierunek przepływu prądu
P N
+ –
kierunek ruchu elektronów
Typ n
„wolny” elektron„wolny” elektron
Pasmo walencyjne
Pasmo przewodzenia
Poziomy donorowe
Typ p
Pasmo walencyjne
Pasmo przewodzenia
Poziomyakceptorowe
Dziura
Dziura
Homozłączowe diody DEL
Powierzchniowa dioda elektroluminescencyjna
Dioda superluminescencyjna
Rodzaj półprzewodnika decyduje o długości emitowanej fali
Materiał Długość fali [μm]
AlGaInP 0,65-0,68
Ga0,5In0,5P 0,67
Ga1-xAlxAs 0,62-0,9
GaAs 0,9
In0,2Ga0,8As 0,98
In0,73Ga0,27As0,58P0,42 1,31
In0,58Ga0,42As0,9P0,1 1,55
Rezonator
Moc emitowana przez laser półprzewodnikowy od prądu
• Dla zainicjowania akcji laserowej prąd zasilający musi mieć odpowiednią wartość zwaną prądem progowym I
• Zmiany natężenia prądu zmieniając ilość wstrzykiwanych nośników przekładają się na modulację natężenia emitowanego światła
Moc świetlna
Natężenie prądu
Emisja wymuszona
Emisja spontaniczna
Prąd progowy
Charakterystyki widmowe lasera półprzewodnikowego
• poniżej progu wzbudzenia– dioda elektroluminescencyjna
• powyżej progu wzbudzenia– dioda laserowa
0,851 0,849 0,847 0,845 0,843 0,841 0,839
dioda elektroluminescencyjna
dioda laserowa
= 0,15 [nm]
= 4,5 [nm]
[m]
Geometria wiązki lasera pp
45o
9o
Laser z emisją krawędziową, z rezonatorem Fabry-Perota
Britney's Guide to Semiconductor Physics
Pasma dla heterostruktury NpP (n+pp+) AlGaAs/GaAs/AlGaAs
Lasery o właściwościach wyznaczonych przez wzmocnienie optyczne
• W laserach tych prąd jest wstrzykiwany jedynie w wąskim pasku. Takie lasery są nazywane laserami o geometrii paskowej
• Wstrzykiwanie to powoduje zmienny rozkład nośników w płaszczyźnie złącza, z maksimum w środku paska, pokrywającym się, z maksimum wzmocnienia optycznego
Rejon dyfuzyjny typu p
n - AlGaAs
Warstwa aktywnap - GaAs
p - AlGaAs
n - AlGaAs
n - GaAs
+
–
Lasery, z prowadzeniem światła jest przez odpowiednie ukształtowanie współczynnika
załamania
• Falowód ten jest wykonany przez wprowadzenie odpowiednich skokowych zmian współczynnika załamania
• W tych laserach obszar, w którym prowadzone jest światło, określono przez uformowanie falowodu wzdłuż złącza
Kontakt
SiO2
Warstwa aktywnalnGaAsP
p - lnP
n - lnP
n+ - lnPPodłoże
SiO2
Lasery z wieloma studniami kwantowymi (MQW)
~>hf
Rejon aktywnyBariera
Pasmo przewodzenia
Pasmo walencyjne
Lasery z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym i odbiciem Bragga
Warstwa aktywna
p
n
Siatka
Warstwa aktywna
p
nDBR DBR
DFB DBR
Trzysekcyjny laser DBR
Sterowanie fazą p - lnP
Warstwa aktywna
Siatka
Falowód
n - lnP
IA IP IG
Najnowsze osiągnięcia i konstrukcje
• Lasery VCSEL (vixel)
• Lasery niebieskie
Różne typy laserów typu VIXEL
Britney's Guide to Semiconductor Physics
Metalic Reflector VCSEL
Etched Well VCSEL
Air Post VCSEL
Burried Regrowth VCSEL
Podsumowanie• Lasery półprzewodnikowe, ciągle udoskonalane, obejmujące
coraz szerszy zakres widma częstości i generujące promieniowanie nawet o znacznych mocach stanowią prawdziwy przełom w technice laserowej
• Są produkowane masowo i stosowane w wielu powszechnie używanych urządzeniach
• Dzięki takim zaletom, jak małe wymiary, łatwość modulacji emitowanego promieniowania, niezawodność pracy i proste zasilanie znalazły szerokie zastosowanie jako źródło modulowanego promieniowania w telekomunikacji światłowodowej
• W sprzęcie powszechnego użytku stosuje się lasery w odtwarzaczach i napędach optycznych przy odczycie informacji optycznej zapisanej na płytach CD