Laserová dioda je polovodičový laser založený na diodě . Jeho práce je založena na výskytu populační inverze v oblasti pn přechodu při vstřikování nosičů náboje. [1] [2]
Když kladný potenciál je aplikován na anodu konvenční diody , dioda je řekl, aby byl zaujatý dopředu . V tomto případě jsou elektrony z n-oblasti vstříknuty do p-oblasti a díry z p-oblasti jsou vstříknuty do n-oblasti polovodičového pn přechodu . Pokud jsou elektron a díra "blízko" (ve vzdálenosti, kdy je možné tunelování ), pak se mohou rekombinovat s uvolněním energie ve formě fotonu o určité vlnové délce (kvůli zachování energie) a fononu ( kvůli zachování hybnosti , protože foton unáší hybnost). Takový proces se nazývá spontánní emise a je hlavním zdrojem záření v LED diodách .
Za určitých podmínek však mohou být elektron a díra před rekombinací ve stejné oblasti prostoru po poměrně dlouhou dobu (až mikrosekundy). Pokud v tomto okamžiku projde touto oblastí prostoru foton požadované (rezonanční) frekvence, může způsobit nucenou rekombinaci s uvolněním druhého fotonu a jeho směr, polarizační vektor a fáze budou přesně odpovídat stejným charakteristikám prvního fotonu. foton.
V laserové diodě je polovodičový krystal vyroben ve formě velmi tenké obdélníkové desky. Taková deska je v podstatě optický vlnovod , kde je záření omezeno na relativně malý prostor. Vrchní vrstva krystalu je dotována , aby se vytvořila n-oblast a ve spodní vrstvě je vytvořena p-oblast. Výsledkem je plochá pn křižovatka s velkou plochou. Dvě strany (konce) krystalu jsou leštěné, aby vytvořily hladké rovnoběžné roviny, které tvoří optický rezonátor nazývaný Fabry-Perotův rezonátor . Náhodný foton spontánní emise, emitovaný kolmo k těmto rovinám, projde celým optickým vlnovodem a před výstupem se několikrát odrazí od konců. Procházející podél rezonátoru způsobí stimulovanou rekombinaci, vytvářející stále více fotonů se stejnými parametry a záření bude zesíleno ( mechanismus stimulované emise ). Jakmile zisk překročí ztrátu, začne generování laseru.
Laserové diody mohou být několika typů. V jejich hlavní části jsou vrstvy vyrobeny velmi tenké a taková struktura může generovat záření pouze ve směru rovnoběžném s těmito vrstvami. Na druhou stranu, pokud je vlnovod dostatečně široký ve srovnání s vlnovou délkou, může již pracovat v několika příčných režimech . Taková dioda se nazývá multi-mode ( ang. "multi-mode" ). Použití takových laserů je možné v případech, kdy je ze zařízení vyžadován vysoký radiační výkon a není nastavena podmínka dobré konvergence paprsku (to znamená, že je povolena jeho výrazná divergence). Takovými oblastmi použití jsou tiskárny, chemický průmysl, čerpání jiných laserů. Na druhou stranu, pokud je požadováno dobré zaostření paprsku, musí být šířka vlnovodu srovnatelná s vlnovou délkou záření. Zde bude šířka paprsku určena pouze limity danými difrakcí . Taková zařízení se používají v optických paměťových zařízeních, laserových označovačích a také ve vláknové technologii. Je však třeba poznamenat, že takové lasery nemohou podporovat několik podélných režimů, to znamená, že nemohou emitovat současně na různých vlnových délkách.
Vlnová délka záření laserové diody závisí na zakázaném pásmu mezi energetickými hladinami p- a n-oblastí polovodiče .
Vzhledem k tomu, že vyzařovací prvek je dosti tenký, paprsek na výstupu diody se vlivem difrakce téměř okamžitě rozchází. Pro kompenzaci tohoto efektu a získání tenkého paprsku je nutné použít konvergující čočky . Cylindrické čočky se nejčastěji používají pro multimódové širokoúhlé lasery. U jednovidových laserů bude při použití symetrických čoček průřez paprsku eliptický, protože divergence ve vertikální rovině převyšuje divergenci v horizontále. Nejzřetelněji je to vidět na příkladu paprsku laserového ukazovátka.
V nejjednodušším zařízení, které bylo popsáno výše, není možné izolovat jedinou vlnovou délku, s výjimkou hodnotové charakteristiky optického rezonátoru. V zařízeních s více podélnými vidy a materiálem schopným zesilovat záření v dostatečně širokém frekvenčním rozsahu je však možný provoz na několika vlnových délkách. V mnoha případech, včetně většiny viditelných laserů, pracují na jediné vlnové délce, která má však silnou nestabilitu a závisí na mnoha faktorech – změnách síly proudu, okolní teplotě atd. V posledních letech se konstrukce nejjednoduššího laseru výše popsaná dioda prošla četnými vylepšeními, takže zařízení na nich založená mohou splňovat moderní požadavky.
Výše popsaná konstrukce laserové diody se nazývá "dioda s np homostrukturou", jejíž význam bude objasněn o něco později. Takové diody jsou extrémně neefektivní. Vyžadují tak velký vstupní výkon, že mohou pracovat pouze v pulzním režimu; jinak se rychle přehřejí. Přes jednoduchost provedení a historický význam se v praxi nepoužívají.
V těchto zařízeních je vrstva materiálu s užším zakázaným pásem vložena mezi dvě vrstvy materiálu s širším zakázaným pásem. Nejčastěji se arsenid gallia (GaAs) a arsenid hlinitý gallia (AlGaAs) používají k implementaci laseru na bázi dvojité heterostruktury. Každé spojení dvou takových různých polovodičů se nazývá heterostruktura a zařízení se nazývá "dvojitá heterostrukturní dioda" (DHS). V anglické literatuře se používají názvy „double heterostructure laser“ nebo „DH laser“. Konstrukce popsaná na začátku článku se nazývá "homojunkční dioda" jen pro ilustraci odlišností od tohoto dnes hojně používaného typu.
Výhodou dvojitých heterostrukturních laserů je, že oblast koexistence elektronů a děr ("aktivní oblast") je uzavřena v tenké střední vrstvě. To znamená, že k zisku přispěje mnohem více párů elektron-díra – jen málo z nich zůstane na periferii v oblasti nízkého zisku. Navíc se světlo bude odrážet od samotných heteropřechodů, to znamená, že záření bude zcela uzavřeno v oblasti maximálně efektivního zesílení.
Pokud se střední vrstva DHS diody udělá ještě tenčí, začne taková vrstva fungovat jako kvantová studna. To znamená, že ve vertikálním směru začne být energie elektronů kvantována . Rozdíl mezi energetickými hladinami kvantových vrtů může být použit ke generování záření namísto potenciální bariéry. Tento přístup je velmi účinný z hlediska řízení vlnové délky záření, která bude záviset na tloušťce střední vrstvy. Účinnost takového laseru bude vyšší ve srovnání s jednovrstvým laserem díky tomu, že závislost hustoty elektronů a děr zapojených do emisního procesu má rovnoměrnější rozložení.
Hlavním problémem heterostrukturních laserů s tenkou vrstvou je nemožnost účinně omezovat světlo. K jeho překonání jsou na obou stranách krystalu přidány další dvě vrstvy. Tyto vrstvy mají nižší index lomu ve srovnání s centrálními vrstvami. Taková struktura podobná světlovodu zadržuje světlo efektivněji . Tato zařízení se nazývají heterostruktury " separátně ohraničené heterostruktury" (SCH).
Většina polovodičových laserů vyrobených od roku 1990 je vyrobena touto technologií.
Lasery s distribuovanou zpětnou vazbou (DFB) se nejčastěji používají ve vícefrekvenčních komunikačních systémech z optických vláken. Pro stabilizaci vlnové délky je v oblasti pn přechodu vytvořen příčný zářez tvořící difrakční mřížku . Díky tomuto zářezu se záření pouze o jedné vlnové délce vrací zpět do rezonátoru a podílí se na dalším zesílení. Lasery DFB mají stabilní vlnovou délku záření, která je ve fázi výroby určena roztečí vrubu, ale může se mírně lišit vlivem teploty. Takové lasery jsou základem moderních optických telekomunikačních systémů.
VCSEL je zkratka pro „Vertical Cavity Surface Emitting Laser“ – polovodičový laser, který vyzařuje světlo ve směru kolmém k povrchu krystalu, na rozdíl od běžných laserových diod, které vyzařují v rovině rovnoběžné s povrchem.
VECSEL je "Vertical External Cavity Surface Emitting Laser". Konstrukčně podobný VCSEL, ale s externím rezonátorem. Lze jej provádět jak proudovým, tak i optickým čerpáním .
Široké přijetí laserových diod vedlo k široké škále balíčků přizpůsobených konkrétním aplikacím. Oficiální normy na tuto problematiku neexistují, ale někdy velcí výrobci uzavírají dohody o sjednocení případů [3] . Kromě toho existují služby pro obalové zářiče podle požadavků zákazníka, takže je obtížné vyjmenovat všechny různé případy ( miniBUT , miniDIL atd.). Stejně tak piny ve známém balení mohou být jedinečné, takže přiřazení pinů by mělo být vždy dvakrát zkontrolováno před nákupem od nového výrobce. Vzhled by se také neměl spojovat s vlnovou délkou záření, protože v praxi lze do libovolného pouzdra nainstalovat zářič s téměř jakoukoli (v rámci série) vlnovou délkou. Hlavní prvky laserového modulu:
Níže jsou uvedeny nejčastější případy mezi výrobci.
Pouzdra tohoto typu jsou určena pro malý a střední rozsah radiačního výkonu (do 250 mW), protože nemají specializované teploodvádějící plochy. Velikosti se pohybují od 3,8 do 10 mm. Počet nožiček je od 3 do 4, lze je různě přepínat, což vede k 8 typům vývodů.
C-mount D-mountPoužití tohoto balíčku je opodstatněné pro výkony větší než 10 mW (pro různé vlnové délky se tato hodnota výrazně liší), kdy povrchová plocha polovodiče nestačí k odvodu tepla. Účinnějšího odvodu tepla je dosaženo použitím vestavěného Peltierova chladiče , který odvádí teplo na opačnou stranu hliníkového pouzdra vzhledem k výstupu vlákna. Dokud se teplota skříně během provozu nemění, postačí přirozené ochlazování vzduchu z povrchu. Pro výkonnější aplikace je na hlavní teplo odvádějící ploše (naproti výstupu vlákna) instalován zářič, pro upevnění jsou na pouzdru opatřeny výstupky. Umístění nožiček ve 2 řadách s roztečí 2,54 mm umožňuje spolu s pájením použít odpojitelné elektrické spoje - blok pro elektronické součástky v pouzdrech DIP a blok ZIF s nulovou silou .
DBUT - Dual-ButterflyNejběžnější pouzdro pro laserové diody s výkony od 10 mW do 800 mW a více. Hlavním rozdílem-výhodou oproti DIL balíčku je efektivnější odvod tepla díky zvětšené kontaktní ploše Peltierova prvku s pouzdrem laserového modulu - hlavní teplo odvádějící plocha je spodní. K tomu byly elektrické přívody přesunuty na boční plochy, což komplikuje organizaci rozebíratelného spojení mezi laserovým modulem a řídicí deskou.
SBUT - Single ButterflyJednostranná verze celého těla BUTTERFLY. Vzhledem k polovičnímu počtu pinů není možné použít interní fotodiodu.
Laserové diody jsou důležité elektronické součástky . Jsou široce používány jako řízené světelné zdroje v komunikačních linkách z optických vláken . Používají se také v různých měřicích zařízeních, jako jsou laserové dálkoměry . Další běžnou aplikací je čtení čárových kódů . Viditelné lasery, obvykle červené a někdy zelené - v laserových ukazovátkách , počítačových myších . Infračervené a červené lasery - v CD a DVD přehrávačích . Fialové lasery - v zařízeních HD DVD a Blu-Ray . Modré lasery - v projektorech nové generace jako zdroj modrého světla a zelené (získané fluorescencí speciálního složení pod vlivem modrého světla). Zkoumají se možnosti využití polovodičových laserů v rychlých a levných zařízeních pro spektroskopii .
Až do vývoje spolehlivých polovodičových laserů v CD přehrávačích a čtečkách čárových kódů byli vývojáři nuceni používat malé helium-neonové lasery .
Z elektronického hlediska je laserová dioda obyčejná dioda, jejíž proudově-napěťová charakteristika je všeobecně známá. Hlavní optickou charakteristikou je závislost výstupního optického výkonu na proudu protékajícím pn přechodem. Nezbytnou součástí absolutně každého budiče emitující diody je tedy zdroj proudu. Funkčnost zdroje proudu (dosah, stabilita, modulace atd.) přímo určuje funkci optického výkonu. Kromě udržení požadované úrovně průměrného výkonu u laserů s aktivním chlazením musí řidič zajistit ovládání chladiče. Strukturálně může být řízení proudu diod a chlazení buď jedním zařízením, nebo dvěma samostatnými zařízeními. Důležitou vlastností ovladače je také typ balíčku laserových diod, který podporuje.
| Polovodičové diody | ||
|---|---|---|
| Po domluvě | ||
| LED diody | ||
| Oprava | ||
| Generátorové diody | ||
| Zdroje referenčního napětí | ||
| jiný | ||
| viz také |
| |