6.6.2.2. Лазер на двойном гетеропереходе

Ограничения, отмеченные в предыдущем разделе, сдерживали широкое использование полупроводниковых лазеров до тех пор, пока были предложены вначале одинарные гетеропереходы, а вскоре послс этого — двойные гетеропереходы. Мы ограничимся тем, что рассмотрим последний тип перехода, поскольку только он обычно и применяется. Чтобы проиллюстрировать его свойства, на рис. 6.43 приведен пример лазерной структуры с двойным гетеропереходом в GaAs, В этом диоде реализованы два перехода между различными материалами Активная область представляет собой тонкий слой . В такой структуре диода пороговую плотность тока при комнатной температуре можно уменьшить примерно на два порядка (т. е. до А/см2) по сравнению с устройством на гомопереходе. Таким образом, становится возможной работа в непрерывном режиме при комнатной температуре. Уменьшение пороговой плотности тока происходит благодаря совместному действию трех следующих факторов: 1) Показатель преломления значительно больше показателя преломления что приводит к образованию оптической волноводной структуры (рис. 6.44, а). Отсюда следует, что лазерный пучок будет теперь сосредоточен главным образом в слое GaAs, т. е. в области, в которой имеется усиление, 2) Ширина запрещенной зоны значительно меньше, чем ширина запрещенной зоны . Поэтому на обоих переходах образуются энергетические барьеры, которые эффективно удерживают инжектированные электроны и дырки в активном слое (рис. 6.44, е). Таким образом, для данной плотности тока

Рис. 6.43. Схематическое представление полупроводникового лазера с двойным гетеропереходом. Активная область представляет собой слой из (заштрихованная область).

концентрация электронов и дырок в активном слое возрастает, а значит, увеличивается и усиление. 3) Поскольку значительно больше, чем лазерный пучок с частотой почти не поглощается в Поэтому крылья поперечного профиля пучка, заходящие как в так и в -области (рис. 6.44, б), не испытывают там сильного поглощения.

До сих пор мы рассматривали лазер с двойным гетеропереходом на GaAs.

Длина волны его излучения попадает в диапазон, в котором мы имеем минимум потерь в оптическом волокне из плавленого кварца (первое окно пропускания). В настоящее время усиленно разрабатываются лазеры с двойной гетероструктурой, работающие на длине волны либо , либо мкм, на которых наблюдаются два других минимума потерь оптического волокна (второе и третье окна пропускания), поскольку потери в этих минимумах существенно меньше. Здесь наибольший интерес в качестве активной среды представляет четырехкомпонентный сплав , где -области переходов выполняются из бинарного соединения . В этом случае добавляется новое условие, которому необходимо удовлетворить: постоянная решетка четверного сплава должна совпадать с постоянной решетки (с точностью порядка 0,1 %). Если это условие не выполняется, то слой четверного сплава, эпитаксиально выращенный на подложке из приведет к достаточно сильным напряжениям, которые рано или поздно разрушат переход

Рис. 6.44. а — профиль показателя преломления; б — поперечное сечение пучка; в — зонная структура полупроводника с двойным гетеропереходом, используемого в диодном лазере.

Если выбрать значения параметров х и у четверного сплава таким образом, чтобы то решетка четверного сплава согласуется с решеткой Выбирая соответствующим образом х, можно получать длину волны излучения в диапазоне мкм.