Полупроводниковый лазер с накачкой: как работает диод

Полупроводниковый лазер с накачкой - это компактный когерентный источник света, в котором инверсия населённостей создаётся не в газовой кювете и не в стержне твердотельного кристалла, а прямо в активной области полупроводниковой гетероструктуры. Накачка чаще всего токовая (инжекция неравновесных носителей через смещённый в прямом направлении p-n переход), реже - оптическая (для VECSEL и для накачки твердотельного лазера диодами). Ниже разберём принцип работы, два способа накачки, роль двойной гетероструктуры и основные классы - от Fabry-Perot до QCL.

Принцип работы: стимулированное излучение в p-n переходе

В p-n переходе при прямом смещении электроны из n-области инжектируются в p-область, а дырки - в обратном направлении. В тонкой активной области они встречаются и рекомбинируют. Если рекомбинация излучательная, выделяется фотон с энергией порядка ширины запрещённой зоны: $h\nu \approx E_g$. Длина волны связана с $E_g$ удобной инженерной формулой:

$\lambda \,[\text{мкм}] \approx \frac{1{,}24}{E_g\,[\text{эВ}]}.$

Чтобы вместо обычного светодиода получить лазер, нужно одновременно две вещи: инверсия населённостей и положительная обратная связь (резонатор). Тогда спонтанное излучение перерастает в стимулированное, и в активной моде накапливается когерентное поле.

Инверсия населённостей через инжекцию неравновесных носителей

В равновесии в полупроводнике стимулированное поглощение преобладает над стимулированным излучением. Чтобы получить усиление на частоте $\nu$, нужно условие Бернара-Дюрафура:

$F_c - F_v > h\nu \geq E_g,$

где $F_c$ и $F_v$ - квазиуровни Ферми для электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Накачка током поднимает $F_c$ и опускает $F_v$ так, что разность квазиуровней превышает энергию фотона - это и есть инверсия в полупроводнике.

Токовая накачка: инжекционные диодные лазеры

В подавляющем большинстве полупроводниковых лазеров накачка токовая. Прямой ток через p-n гетероструктуру создаёт в активной области концентрацию носителей $n \approx p$ существенно выше равновесной. Пороговое условие - модальное усиление компенсирует все потери:

$\Gamma g_{th} = \alpha_i + \alpha_m = \alpha_i + \frac{1}{L}\ln\frac{1}{R_1 R_2},$

где $\Gamma$ - фактор оптического ограничения, $\alpha_i$ - внутренние потери, $L$ - длина резонатора, $R_1, R_2$ - отражения зеркал. Пороговый ток $I_{th}$ зависит от температуры экспоненциально:

$I_{th}(T) = I_0 \exp\!\left(\frac{T}{T_0}\right),$

где $T_0$ - характеристическая температура: чем она выше, тем стабильнее работа диода при нагреве. Для GaAs/AlGaAs $T_0 \approx 150$–$180$ К, для InGaAsP/InP - меньше, около 50–70 К, что заметно усложняет охлаждение telecom-передатчиков.

Оптическая накачка: VECSEL и не только

Оптическая накачка в полупроводниковых лазерах применяется реже, но в важных классах:

• VECSEL (vertical external cavity surface emitting laser, дисковый полупроводниковый лазер) - активная область с квантовыми ямами накачивается мощным многомодовым диодным лазером 808 нм или 980 нм; внешнее зеркало позволяет ввести нелинейный кристалл и получить вторую гармонику в видимом диапазоне.
• Оптически накачанные полупроводниковые усилители (SOA) - для исследовательских стендов, где нужна высокая однородность инверсии без сложной топологии p-n контактов.
• В обратную сторону - сам диодный лазер часто служит источником оптической накачки твердотельных лазеров (Nd:YAG, Yb:YAG, Tm/Ho-волокон): полоса поглощения Nd:YAG на 808 нм идеально совпадает с GaAs-диодами.

Двойная гетероструктура: ключ к комнатной температуре

Первые лазеры на p-n переходе (1962, GaAs гомопереход) работали только при $77$ К и в импульсе - носители уходили из тонкого активного слоя, $J_{th}$ был запретительно велик. Прорыв - двойная гетероструктура (Жорес Алфёров и Герберт Кремер, Нобелевская премия по физике 2000): тонкий слой узкозонного полупроводника (например, GaAs) зажат между слоями широкозонного материала (AlGaAs). Получаются сразу два эффекта:

1. Удержание носителей: разрывы зон $\Delta E_c$ и $\Delta E_v$ запирают электроны и дырки в активной области, повышая плотность инверсии.
2. Удержание фотонов: показатель преломления узкозонного слоя выше - он работает как планарный волновод, фактор оптического ограничения $\Gamma$ повышается.

Это снизило пороговую плотность тока с десятков $\text{кА}/\text{см}^2$ до $\sim 1{,}6$ $\text{кА}/\text{см}^2$ и сделало возможной непрерывную работу при $T = 300$ К - то есть превратило диодный лазер из лабораторного курьёза в массовый прибор.

Классы полупроводниковых лазеров

• Fabry-Perot edge-emitting - простейший торцевой лазер: резонатор образован сколами кристалла ($R \approx 0{,}3$ от френелевского отражения). Многомодовый, дёшев, используется в проигрывателях, дальномерах, накачке.
• DFB (distributed feedback) и DBR - встроенная брэгговская решётка обеспечивает узкую одночастотную генерацию. Основа telecom-передатчиков 1310/1550 нм.
• VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser) - вертикальный резонатор с двумя брэгговскими зеркалами (DBR) сверху и снизу активной области. Низкий порог ($\sim 1$ мА), круглый пучок, дёшев в массовом производстве - это лазеры в Face ID, оптических мышах, datacenter-линках 850 нм.
• QCL (quantum cascade laser) - фундаментально иной зверь: излучает не на межзонном, а на межподзонном переходе в каскаде из десятков квантовых ям. Длина волны задаётся толщиной слоёв, а не $E_g$ (на поглощение в поле в обычных полупроводниках действует эффект Франца-Келдыша), диапазон - средний и дальний ИК (3–25 мкм). Применение - газовая спектроскопия, ИК-противодействие.
• VECSEL (см. выше) - высокая мощность и качество пучка ценой внешнего резонатора и оптической накачки.

Материалы и длины волн

Активный материал гетероструктуры выбирается под целевую длину волны:

• GaN/InGaN - фиолетовый и синий: $405$ нм (Blu-ray), $450$–$460$ нм (проекторы, накачка люминофоров белых LED).
• AlGaInP - красный: $635$–$680$ нм (лазерные указки, DVD, медицинская терапия).
• GaAs/AlGaAs - ближний ИК: $780$ нм (CD), $808$ нм (накачка Nd:YAG), $850$ нм (datacom VCSEL).
• InGaAs/GaAs - $940$–$980$ нм (накачка иттербиевых волоконных лазеров, телеком короткой дальности).
• InGaAsP/InP - $1310$ нм (минимум дисперсии в кварцевом волокне) и $1550$ нм (минимум потерь, основа DWDM).
• InAs/GaSb (антимонидные) и QCL - средний ИК $3$–$12$ мкм для спектроскопии метана, CO, CO$_2$, NH$_3$.

Применения

• Телеком: DFB-лазеры $1310/1550$ нм - основа оптических линий связи; VCSEL $850$ нм - внутри дата-центров.
• Накачка твердотельных лазеров: модули $808$ нм для Nd:YAG, $940/980$ нм для Yb:YAG и эрбиевых волокон.
• Медицина: $810$ нм и $940$ нм в фотокоагуляции, $1064$ нм через Nd:YAG в офтальмологии, $980$ нм в эндовенозной лазерной облитерации.
• Считыватели и хранение: CD ($780$ нм), DVD ($650$ нм), Blu-ray ($405$ нм).
• Спектроскопия и сенсоры: QCL для следовой газовой аналитики; перестраиваемые DFB - в TDLAS-сенсорах.
• LIDAR и 3D-сенсинг: VCSEL-массивы $940$ нм в смартфонах и автономных машинах.

Типовые задачи на курсе

1. Дана $E_g = 1{,}424$ эВ (GaAs при $300$ К) - посчитать длину волны генерации: $\lambda \approx 1{,}24/1{,}424 \approx 0{,}87$ мкм.
2. По заданной плотности порогового тока и площади чипа найти $I_{th}$, а по $T_0$ - оценить, как $I_{th}$ вырастет при нагреве с $25$ до $70$ °C.
3. По длине резонатора $L = 300$ мкм и сколам ($R = 0{,}32$) посчитать зеркальные потери $\alpha_m = (1/L)\ln(1/R) \approx 38$ см$^{-1}$ и сравнить с типичными $\alpha_i \approx 10$ см$^{-1}$.
4. Объяснить, почему у InGaAsP/InP $T_0$ меньше, чем у GaAs/AlGaAs (Оже-рекомбинация и утечка носителей через гетеробарьеры).

Частые ошибки

• Путают спонтанное и стимулированное излучение: светодиод даёт первое и не имеет резонатора, лазер - второе и обязательно с обратной связью.
• Считают, что $\lambda$ задаётся «материалом вообще»: на самом деле - конкретной шириной запрещённой зоны конкретного твёрдого раствора (например, $\text{Al}_x\text{Ga}_{1-x}\text{As}$ при разных $x$).
• Применяют формулу Бернара-Дюрафура $F_c - F_v > h\nu$ как «уровни Ферми в равновесии»: важно, что речь о квазиуровнях, существующих только при накачке.
• Забывают про $\Gamma$ в пороговом условии - если активная область тоньше длины волны в среде, $\Gamma \ll 1$ и порог взлетает.
• Считают QCL частным случаем диодного лазера. QCL работает на межподзонных переходах, его длина волны задаётся толщиной квантовых ям, а не $E_g$.

FAQ

Чем диодный лазер отличается от светодиода (LED)? LED работает только на спонтанной рекомбинации, без резонатора и без порога. Диодный лазер выше порогового тока переходит в режим стимулированного излучения: возникают узкая спектральная линия, когерентность и пороговая характеристика $P(I)$ с резким изломом в точке $I_{th}$.

Зачем нужна двойная гетероструктура - нельзя ли обойтись обычным p-n переходом? Можно, но только при низких температурах и в импульсе. Гомопереход не удерживает носители в тонком слое: они диффундируют наружу, инверсия не накапливается, $J_{th}$ становится огромным. Двойная гетероструктура одновременно запирает носители (разрывами зон) и фотоны (волноводным эффектом), снижая порог в десятки раз.

Почему телеком работает именно на $1310$ и $1550$ нм? Это два «окна прозрачности» кварцевого волокна. На $1310$ нм - нулевая хроматическая дисперсия стандартного волокна. На $1550$ нм - минимум потерь ($\sim 0{,}2$ дБ/км) и совпадение с полосой усиления эрбиевых усилителей EDFA. Под эти окна выпускают InGaAsP/InP DFB и DBR лазеры.

Коротко

Полупроводниковый лазер с накачкой - это лазер, где инверсия населённостей создаётся в активной области гетероструктуры за счёт инжекции неравновесных носителей через p-n переход (токовая накачка) или внешним светом (оптическая накачка в VECSEL). Двойная гетероструктура удерживает носители и фотоны, что и сделало возможной непрерывную работу при комнатной температуре. Длина волны задаётся шириной запрещённой зоны материала по $\lambda \approx 1{,}24/E_g$ мкм, а класс прибора (Fabry-Perot, DFB, DBR, VCSEL, QCL, VECSEL) - назначением: от $405$ нм Blu-ray и $808$ нм для накачки Nd:YAG до $1550$ нм DWDM и средневолновых QCL для спектроскопии.