2.4. Лазерные источники в интегральной оптике

Возрождению оптической связи во 2-й половине 20-го века и ее развитию в настоящее время способствовало появление лазеров – оптических квантовых генераторов. Лазер – это источник когерентного (когерентными называются волны, разность фаз которых в рассматриваемой точке не зависит от времени) электромагнитного излучения оптического диапазона. Его действие основано на использовании вынужденного излучения атомов и молекул. Термин «лазер» своим появлением обязан аббревиатуре LASER слов английского выражения «Light Amplification by Stymulated Emission of Radiation» (в переводе – усиление света вынужденным излучением). Первый лазер на кристалле рубина создан в 1960 г. американским ученым Т. Мейманом.

Из квантовой электроники известно, что электрон может взаимодействовать с электромагнитным излучением в виде потока фотонов, изменяя свое энергетическое состояние, то есть переходя с одного энергетического уровня на другой. При этом возможны три механизма взаимодействия:

1. Электрон вещества самопроизвольно переходит из более высокого энергетического состояния в более низкое с испусканием кванта света. Этот процесс называется спонтанным испусканием фотона и используется в светоизлучающих элементах.

2. Фотон внешнего электромагнитного излучения, отдав свою энергию электрону вещества, находящемуся на нижнем энергетическом уровне, переводит его на более высокий энергетический уровень. Этот процесс называется резонансным поглощением фотона и используется в фотоприемниках.

3. Фотон внешнего электромагнитного излучения, встретив электрон вещества, находящийся на верхнем энергетическом уровне, не исчезает, но вынуждает этот электрон перейти на нижний энергетический уровень с испусканием кванта света. В результате образуется два фотона. Такой процесс называется вынужденным испусканием фотона и используется в лазерах.

Лазер, как оптический квантовый генератор, строится на основе оптического квантового усилителя, который состоит из активного элемента (активной среды) и источника накачки. Для получения усиления оптического сигнала необходимо вывести активную среду из состояния равновесия, создав в ней инверсию населенностей, т.е. возбудить. Процесс возбуждения активной среды с целью получения инверсии населенностей называют накачкой, а источник энергии этого возбуждения – источником накачки.

Входной оптический сигнал, проходя через активный элемент, усиливается за счет процессов вынужденного испускания фотонов, так что на выходе системы получается усиленный оптический сигнал. Усиление оптического квантового усилителя возрастает с увеличением длины активного элемента и степени инверсии населенностей, которая определяется числом активных частиц в единице объема вещества и интенсивностью накачки.

Для превращения оптического квантового усилителя в оптический квантовый генератор в него необходимо ввести положительную обратную связь, подав часть усиленного оптического сигнала с выхода на вход. В лазерах эту функция возложена на оптический резонатор, роль которого выполняет сам активный элемент, помещенный между двумя строго параллельными друг другу зеркалами.

Плоская электромагнитная волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном зеркалам резонатора, будет поочередно отражаться от них, усиливаясь при каждом прохождении через активную среду. Одно из зеркал делают полупрозрачным для вывода лазерного излучения. Изменяя коэффициент отражения этого зеркала, можно изменять величину обратной связи.

Процесс генерации в лазерах развивается из некоторого «запускающего» излучения, которым, как правило, является шум. В качестве такого шума выступает спонтанное излучение: всегда найдется «запускающий» фотон, испущенный спонтанно в направлении, близком к направлению, параллельному оси оптического резонатора.

Генерация в лазерах возможна лишь при выполнении следующего порогового условия: усиление за один проход в активном элементе должно превышать все потери, в т.ч. потери за счет пропускания одного из зеркал. Так как усиление оптического квантового усилителя зависит от степени перенаселенности рабочих уровней, которая в свою очередь определяется интенсивностью накачки, то существует некоторая критическая (пороговая) мощность накачки, при которой начинает развиваться процесс оптической генерации. Если мощность накачки ниже пороговой, то наблюдается лишь широкополосное спонтанное излучение.

По типу активной среды различают газовые, жидкостные, твердотельные и полупроводниковые лазеры. В качестве лазерных источников в интегральной оптике применяются исключительно полупроводниковые лазеры, использующие в качестве активной среды полупроводниковые материалы. Впервые идею о возможности генерации вынужденного излучения в оптическом диапазоне электромагнитных волн путем использования в качестве активной среды полупроводниковых кристаллов высказал в 1958 г. российский ученый Н. Басов. Первый же экспериментальный эффект генерации на GaAs получен американским физиком Р. Холлом в 1962 г. Большая заслуга в совершенствовании полупроводниковых лазеров принадлежит российскому ученому Ж. Алферову и его сотрудникам, предложившим использовать в структуре оптического резонатора полупроводникового лазера гетеропереходы.

По способу накачки полупроводниковые лазеры можно разделить на четыре основных типа: инжекционные (путем инжекции носителей заряда через p-n-переход); с возбуждением электронным пучком; с оптической накачкой; стримерные (за счет лавинного пробоя под действием импульса высокого напряжения). Малые геометрические размеры, простота способа возбуждения и высокая надежность сделали инжекционные лазеры (ИЛ) основными источниками излучения в интегральной оптике.

Активный элемент ИЛ (рис. 2.12, а) содержит активную область (например, полупроводник с проводимостью p-типа) и примыкающие к ней слои полупроводников n- и p-типа, играющие роли эмиттеров (инжекторов) соответственно электронов и дырок. При приложении к активному элементу прямого внешнего напряжения U из зоны проводимости n-эмиттера (рис. 2.12, б) в зону проводимости активной области поступает (инжектируется) некоторое количество электронов. Одновременно из валентной зоны p-эмиттера в валентную зону активной области поступает такое же количество дырок, что эквивалентно уходу электронов из валентной зоны активной области в валентную зону p-эмиттера.

Инжектированные электроны и дырки рекомбинируют между собой с излучением фотонов (рекомбинационное излучение). Длина волны λ, мкм рекомбинационного излучения определяется шириной запрещённой зоныE_g, эВ полупроводника активной области

λ = 1,24 / E_g.

При малых значениях тока, протекающего через полупроводниковую структуру, рекомбинационное излучение является спонтанным. С увеличением тока, начиная с I = I_инв, в активной среде создаётся инверсия населённостей носителей заряда для межзонных состояний. При дальнейшем возрастании тока излучение вначале усиливается. Затем же, когда приращение энергии в результате усиления превысит суммарные потери в оптическом резонаторе ИЛ, образуемом двумя зеркальными параллельными гранями полупроводниковой структуры (рис. 2.12, в), возникает генерация на соответствующей длине волны (рис. 2.12, г).

Ток I_пор, при котором начинается генерация, называется пороговым током генерации. Зависимость выходной мощности излучения Р_изл от тока накачки I (ватт-амперная характеристика ИЛ) после достижения порога генерации выражается соотношением

Р_изл = · (I – I_пор) ·U,

где – коэффициент, характеризующий эффективность преобразования электрической мощности, приложенной к активной области, в мощность лазерного излучения.

Первые ИЛ создавались на структурах с p-n-переходами, главным образом на основе GаАs. Они обладали высокой плотностью тока I_пор (свыше 20 кА/см²). Естественно, что они сильно нагревались и могли нормально работать только в импульсном режиме или при очень сильном охлаждении, например, жидким азотом. Существенное снижение плотности тока I_пор (до 0,12 – 1 кА/см²) и непрерывный режим работы ИЛ стали возможны в результате создания ИЛ на основе гетеропереходов.

В ИЛ на основе полупроводниковых гетероструктур активную область выполняют из полупроводника с меньшей, чем у эмиттеров, шириной запрещённой зоны (рис. 2.12, б). Наличие потенциальных барьеров на границах активной области с эмиттерами обеспечивает высокую эффективность инжекции носителей заряда в активную область даже при очень малой её толщине (вплоть до 0,006 – 0,2 мкм, что много меньше диффузионной длины инжектируемых неравновесных носителей заряда).

Кроме того, существенная разность значений диэлектрической проницаемости гетерослоев и малое поглощение генерируемого излучения в широкозонных эмиттерах позволяют образовать на основе таких полупроводниковых структур качественный диэлектрический волновод и тем самым, снизив потери на поглощение, повысить КПД ИЛ. Наиболее распространены лазерные гетероструктуры, выращенные на подложках GaАs и InP.

В первом случае широкозонные эмиттеры выполняются из твёрдых растворов Al_xGa_1-xAs, где x – доля атомов Al, замещающих атомы Gа (х 0,3 – 0,45). Меняя состав активной области от GаАs (E_g = 1,4 эВ) до Аl_0,17Ga_0,83Аs (E_g = 1,65 эВ), можно получить генерацию излучения в диапазоне длин волн от 0,9 до 0,75 мкм. Во втором случае, используя для создания эмиттеров InР, а для создания активной области – GаlnАsР, можно получить генерацию излучения в диапазоне длин волн от 1,1 до 1,67 мкм. Перспективным для применения в ВОЛС длинам волн 1,3 и 1,55 мкм соответствуют составы Ga_0,27ln_0,73Аs_0,63P_0,37 и Ga_0,4ln_0,6Аs_0,86P_0,14.

Различают ИЛ импульсного (ИЛИ) и непрерывного (ИЛН) действия. Основное конструктивное отличие ИЛИ от ИЛН состоит в ширине излучающей активной области на выходной грани оптического резонатора: примерно 300 мкм для ИЛИ и 5 мкм для ИЛН. Типичные выходные характеристики ИЛИ: мощность излучения ~ 10 Вт; рабочие токи ~ 10 А и более; длительность импульса 20 – 200 нс; частота повторения импульсов 1 – 25 кГц; длина волны 0,8 – 0,9 мкм. ИЛИ применяются в системах телеуправления и наведения.

Малые размеры активной области ИЛН обуславливают малые пороговые токи. Ограничение линейных размеров излучающей активной области в ИЛН до нескольких мкм достигается в специальных полосковых конструкциях, для которых характерно ограничение активной области не только по толщине, но и по ширине. Типичные значения выходной мощности ИЛН при токах накачки 30 – 150 мА и напряжении 2 В составляют 3 – 50 мВт. У современных высокоэффективных ИЛН при фазированном сложении мощности излучающих полосок в одном кристалле выходная мощность может достигать нескольких Вт. Именно ИЛН перспективны для использования в интегральной оптике, ВОЛС, устройствах оптической записи и считывания информации, лазерных принтерах и др.

Важнейшей отличительной особенностью ИЛ является непосредственное преобразование электрической энергии в лазерное излучение. Это и определило такое его преимущество как очень малые габаритные размеры: полупроводниковый кристалл, используемый одновременно в качестве активного элемента и оптического резонатора, обычно имеет как длину, так и ширину в 200 – 400 мкм. Кроме того, ИЛ характеризуются простотой конструкции и высокой надежностью, возможностью осуществлять непосредственную (прямую) модуляцию лазерного излучения изменением тока накачки, высоким быстродействием, обуславливающим широкую полосу частот прямой модуляции (свыше 10⁹ Гц) и высоким КПД (до 30 – 50%). Именно с появлением ИЛ стало возможным создание лазерных ИОС.