10.5.     Лазеры на гетеропереходах, устройство, применение

 Ж.И.Алферовым предложены инжекционные лазеры на основе гетеропереходов (гетеролазеры), имеющие высокий КПД. В этих лазерах для создания переходов используются полупроводниковые материалы с различной шириной запрещенной зоны.

Рис. 10.12. Полупроводниковая структура гетеролазеров

 Полупроводниковая структура гетеролазеров (рис. 10.12,a) состоит из области GaAs n-типа, узкой области GaAs p-типа и области тройного соединения Al_xGа_1-xAs p-типа. Активной является средняя область, где создается инверсия населенностей. На границе средней и правой областей образуется потенциальный барьер, который ограничивает длину свободного пробега электронов, инжектированных из левой области, и тем самым повышает эффективность образования вынужденного излучения. Кроме того, одновременно уменьшается поглощение света в правой неактивной области, так как из-за различия в коэффициентах преломления в средней и правой областях (рис. 10.12,б) наблюдается полное внутреннее отражение света на их границе (волноводный эффект) В результате этих процессов удалось при T=300 К понизить плотность порогового тока от 20—100 кА/см² до 7— 10 кА/см² и увеличить КПД до 10%.. В нашей стране были разработаны также гетеролазеры с полным внутренним отражением света с обеих сторон от активного слоя, лазеры с двойной гетероструктурой, или ДГС-лазеры. В этих лазерах удалось существенно понизить плотность порогового тока и получить большой КПД, что позволило при комнатной температуре осуществить режим непрерывного излучения, который был ранее возможен только при температуре жидкого азота. В ДГС-лазерах на основе GaAs-GaAlAs при комнатной температуре получена плотность порогового тока менее 1 кА/см².

Отличительной особенностью гетеролазеров является возможность изготовления лазеров с различной длиной волны излучения изменением концентрации примесного алюминия. Например, изменение последней в пределах от 0 до 30% вызывает изменение длины волны от 0,9 до 0,68 мкм. Другими особенностями гетеролазеров являются высокий КПД, удобство возбуждения, малые габариты.

Крупным достижением лазерной техники последних лет явилось создание гетеролазера с распределенной обратной связью. В таком полупроводниковом лазере торцевые зеркальные поверхности, образующие оптический резонатор, заменены дифракционной решеткой, которая, как известно, на определенных частотах полностью отражает падающее на нее излучение.

Повышения мощности излучения инжекционных лазеров добиваются изготовлением набора (решеток) лазерных диодов. Например, при комнатной температуре получена импульсная мощность от 10 до 1000 Вт при частоте следования импульсов до 1 кГц и длительности импульсов 70...200 нс. При этом число лазерных диодов в решетке колеблется от 10 до 60.

Недостатки полупроводниковых лазеров - невысокая степень когерентности излучения, плохая температурная и радиационная устойчивость и пока еще низкая долговечность. Так, в лабораторных условиях получена долговечность 10⁴ ч, однако в промышленных образцах она на один-два порядка ниже.

Одной из областей применения полупроводниковых лазеров является система оптической связи и обработки информации. Для применения в волоконно-оптических линиях связи разрабатываются полупроводниковые лазеры специальной конструкции для эффективного согласования лазера с волоконной линией.  В открытых линиях связи используются обычные полупроводниковые лазеры на гетеропереходах в тройных (GaAlAs) и четверных (GaInAsP) системах. Лазеры работают при комнатной температуре в интервале длин волн от 0,65 до 1,6 мкм. 

Необходимо отметить, использование лазеров в научных исследованиях. Лазеры применяют в медицине. Применение лазеров в логических элементах позволило создать быстродействующие ЭВМ.