Optoelektronika I (2008/2009 by Sathell)

TEST

1. Właściwości optoelektroniki
a) większa obciążalność funkcjonalna
b) prosta struktura przejść optycznych
c) nieliniowość zjawisk optycznych
d) brak sprzężenia zwrotnego
e) kompatybilność z technologią krzemową
f) nośnikiem informacji jest fonon

2. Widmo fononowe
a) oddziaływanie kulombowskie dziura - elektron
b) skwantowane drgania sieci krystalicznej
c) energia zależy od wektora falowego
d) fonon ma energie kinetyczną
e) fonon odpowiada za transport ładunku
f) występują fonony TO (optyczny) i TB (jest TA -
akustyczny)

3. Charakterystyki optyczne ciała stałego
a) przechwyt fotonów z określonej częstotliwości
b) rekombinacja
c) współczynnik załamania
d) rozkład fotonów Plancka
e) odbicie
f) tunelowanie nośników przez barierę w studni

4. Związki AIIIBV
a) związki galu, glinu i indu z azotem
b) to krzem i german
c) to związki teluru z kadmem i rtęcią
d) tworzą szereg roztworów stałych
e) przerwa wzbroniona zmienia się od 5 do 10 eV
f) to związki galu, glinu i indu z arsenem i fosforem

5. Heteroepitaksja to monokrystalizacja kryształów
a) AIIIBV na podłożu szklanym
b) AIIIBV na podłożu z materiału AIIIBV
c) krzemu na krzemie
d) AIIIBV-N na szafirze
e) na podłożu z materiału identycznego jak osadzany
f) wyciąganie monokryształów z różnych roztworów

6. Podłoża powinny charakteryzować się
a) dobrą łupliwością
b) dobrą elastycznością
c) odpowiednią orientacją krystalograficzną
d) niską temperaturą topnienia
e) dużą odpornością na działanie ciśnienia
f) odpowiednią geometrią

7. Podział epitaksji – transport masy i faza
a) transport za pomocą wiązki jonowej
b) transport za pomocą wiązki atomowej
c) transport za pomocą wiązki molekularnej (MBE)
d) epitaksja za pomocą plazmy (PECVD)
e) epitaksja z roztworu ciekłego (LTE)
f) krystalizacja w fazie gazowej

8. Wydajność kwantowa wewnętrzna zależy
a) poziomu domieszkowania domieszką akceptorową
b) koncentracji defektów
c) poziomu wstrzykiwania elektronów
d) wielkości prądu elektronowego złącza emitera
e) iloczynu koncentracji elektronów i dziur
f) wielkości rekombinacji niepromienistej

9. Warunki emisji laserowej w rezonatorze F-P
a) częściowa emisja tylko przez jedno zwierciadło R1
b) zjawiska w warstwach ograniczających można pominąć
c) w zwierciadłach zachodzą zjawiska absorpcji,
rozpraszania
d) gęstość prądu zasilania nie może przekroczyć prądu
progowego
e) zwierciadło R2 charakteryzuje się transmisją jak
zwierciadło R1
f) musi wystąpić inwersja obsadzeń

10. Dobroć rezonatora lasera to stosunek
a) mocy optycznej do mocy zasilania
b) gęstości mocy optycznej do prądu zasilania
c) energii modu emitowanego do sumy strat
d) częstotliwości do szerokości połówkowej emitowanego
światła
e) sprawności kwantowej zewnętrznej do wewnętrznej
f) iloczyn efektywności wstrzykiwania do prądu zasilania

11. Rodzaje rezonatorów – kryterium obszar czynny
a) HJ (laser homozłączowy)
b) F-P
c) SH (laser monoheterozłączowy)
d) MQW (wielokrotne studnie kwantowe) ???
e) DH (laser biheterozłączowy)
f) DBR

12. Zwierciadło DFB to
a) zwierciadło bragowskie
b) zwierciadło w rezonatorze Febry-Perot'a
c) zwierciadło lasera VCSEL
d) zwierciadło z rozłożonym sprzężeniem bragowskim
e) zwierciadło naparowywane na krawędziach rezonatora
f) zwierciadło w laserze paskowym

13. Laser paskowy charakteryzuje się:
a) wbudowanym rezonatorem
b) indukowanym rezonatorem
c) ograniczony rozpływ prądu w obszarze aktywnym
d) ograniczony obszar czynny szerokością kontaktu
e) mniejszym migotaniem
f) większa gęstość mocy z okna emisyjnego

14. Detektory promieniowania – wymagania:
a) duże napięcie zasilania
b) liniowość charakterystyki czułości widmowej
c) mała czułość A/M
d) duży prąd ciemny
e) mały prąd nasycenia
f) mała pojemność detektora

Heterostruktura jest to połączenie/złącze występujące między dwoma materiałami o różnej
szerokości pasma zabronionego tworzące strukturę monokrystaliczną. Heterostruktury
powszechnie stosowane są w laserach półprzewodnikowych, diodach LED, tranzystorach
bipolarnych HBT (heterojunction bipolar transistor), tranzystorach HEMT (High Electron Mobility
Transistors), tranzystorach MODFET (modulation-dopped FET). Heterostruktury mogą być także
wykorzystane jako falowody optyczne. Heterostruktury wytwarzane są zazwyczaj w procesie MBE
lub CVD. Przykładowe konfiguracje: GaAs, InP, AlGaAs, InGaAsP, CdSe, HgCdTe.

Klasyfikacja heterozłączy ze względu na ustawienie pasm:

Pasma przed i po połączeniu:

W heterostrukturach występują efekty kwantowe takie jak studnie kwantowe powstające w wyniku
różnic w strukturze pasmowej. Możliwe jest także wytworzenie drutów i kropek kwantowych w
których przestrzeń ograniczona jest w trzech wymiarach barierami potencjału. Podwójna
heterostruktura, z bardzo wąskim obszarem GaAs, tworzy prostokątną studnie kwantową.
Dozwolone energie Eq cząstki o masie m w takiej studni wyznacza rozwiązanie równania
Schrodingera bez czasu.

Optoelektronika - definicja dziedziny

Jest techniką systemów i przyrządów, które emitują, modulują, transmitują lub wykrywają światło.
Zajmuje się badaniem i wykorzystywaniem zjawisk rozchodzenia się, obróbki i oddziaływania
promieniowania, a także emisji oraz detekcji promieniowania optycznego do konstrukcji i budowy
układów optoelektronicznych czyli takich, które pracują z dwoma rodzajami sygnałów: optycznym i
elektrycznym, a także z akustycznym i magnetycznym.
Warto zaznaczyć, że optoelektronika skupia dziedziny nauk takie jak chemia, fizyka ciała stałego,
oraz w niewielkim stopniu elektronikę w jej aspektach teoretycznych.

Dziedziny optoelektroniki

1. Optoelektronika światłowodowa

●

technika światłowodowa

●

optoelektronika zintegrowana

●

optotelekomunikacja

2. Optoelektronika obrazowa
3. Optoelektronika fotowoltaiczna
4. Optoelektronika informatyczna
5. Optoelektronika laserowa

Zalety Optoelektroniki

●

możliwość wytworzenia emiterów i detektorów

●

wysoka pojemność informatyczna kanału

●

mała tłumienność

●

duża dobroć układu

●

jednokierunkowość sprzężenia

●

izolacja galwaniczna

●

izolacja kanałów komunikacyjnych

●

duża obciążalność

●

taniość i dostępność surowca

Zastosowania Optoelektroniki

●

telekomunikacja światłowodowa

●

czujniki dla potrzeb metrologii, automatyki i robotyki

●

komputerowe sieci odporne na zakłócenia

●

przekształcanie informacji obrazowych z obszaru widma niewidzialnego na widzialne

●

wzmacnianie kontrastowości i jaskrawości obrazu

●

mikrobróbka laserowa układów elektronicznych

●

obróbka tworzyw za pomocą wysokoenergetycznych wiązek laserowych

●

tworzenie nowych narzędzi i metod chirurgicznych

●

technika holograficzna

●

przetwarzanie energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną

●

konstrukcja płaskich monitorów (ciekłokrystaliczne i diodowe)

●

magazynowanie danych (cd-rom, dvd)

●

światła sygnalizacyjne i ostrzegawcze o dużej jasności i niezawodności

Epitaksja

Parametry podłoży przy epitaksji

●

Struktura krystalograficzna podłoża i warstwy należą do tej samej grupy przestrzennej, czyli
oba materiały krystalizują w tej samej strukturze.

●

Wymiary komórek elementarnych podłoża i warstwy są do siebie zbliżone. Dopuszczalna
różnica parametrów komórek zależy od właściwości materiałów (odporności na stres,
współczynniki rozszerzalności termicznej itp.).

●

Zarodki najchętniej lokują się w miejscach energetycznie najbardziej korzystnych, tzn. na
defektach sieci i zanieczyszczeniach. Mogą to być zerwane wiązania w krysztale np.
stopnie atomowe na powierzchni, defekty sieci. Ogólnie rzecz biorąc, defekty są
odtwarzane przez rosnąca warstwę. Podłoże powinno być więc możliwie bezdefektowe i
mieć czystą powierzchnię.

●

Konieczna jest stabilność temperaturowa podłoża w temperaturach epitaksji.

●

Możliwie zbliżone współczynniki liniowej rozszerzalności termicznej podłoża i warstwy.

●

Stabilność chemiczna podłoża w obecności reagentów.

LPE - metoda epitaksji z fazy ciekłej polega w skrócie na:

●

wytworzeniu roztworu osadzanego materiału w rozpuszczalniku (np. GaAs w galu),

●

homogenizacji roztworu (od 7-8 godzin do kilkudziesięciu godzin),

●

zalaniu podłoża nasyconym roztworem (stopem),

a następnie...

●

osiągnięciu przesycenia.

Przesycenie osiąga się poprzez wytworzenie gradientu temperatury. Powolne obniżanie
temperatury (rzędu 0,1K/min.) powoduje zmniejszenie rozpuszczalności materiału rozpuszczonego
w rozpuszczalniku. Dzięki temu następuje zmiana fazy - część substancji rozpuszczonej
przechodzi z roztworu do fazy stałej i np. krystalizuje na podłożu. W technice LPE występuje
zjawisko segregacji materiału, dzięki któremu zanieczyszczenia wbudowują się w dużo mniejszym
stopniu niż w innych technikach. W technice tej uzyskuje się bardzo wysokiej jakości warstwy
epitaksjalne: mała ilości defektów strukturalnych i zanieczyszczeń, ostra granica metalurgiczna.
Proces osadzania zachodzi w warunkach zbliżonych do równowagowych. Ograniczeniem tej
techniki osadzania jest mała powierzchnia efektywna związana z efektem krawędziowym wzrostu i
niemożliwość uzyskania warstw supersieci i studni kwantowych. Metoda czuła termicznie. Jest to
metoda fizyczna otrzymywania struktur epitaksjalnych. Technika ta jest obecnie rzadko stosowana.

Rys. Prosty układ poziomy (przechylany) osadzania warstw epitaksjalnych w technice LPE.

VPE

Jest to metoda chemiczna otrzymywania warstw epitaksjalnych. Metoda czuła termicznie.
Występują tu stosunkowo duże szybkości osadzania. Osadzać można tylko te pierwiastki, których
związki udało się przeprowadzić w stan gazowy - otrzymuje się proste związki półprzewodnikowe
typu GaAs czy GaP.

Do wytwarzania struktur epitaksjalnych AIIIBV stosuje się metodę wodorkową i chlorkową
(halogenkową). Technikę tę stosuje się praktycznie tylko do otrzymywania związków galu. W
technice tej jako źródło galu stosuje się metaliczny gal.

Metoda wodorkowa HVPE.

Nazwa metody wywodzi się ze stosowania jako źródła pierwiastków V grupy układu okresowego
wodorków (np. arsenu AsH3 czy fosforu PH3 lub amoniaku NH3).

Technika ta zostanie omówiona na przykładzie stanowiska do otrzymywania warstw GaN (rys.3).
Stosowane są stosunkowo proste stanowiska technologiczne - 3- lub 5-cio strefowy piec oporowy,
trzy linie gazowe. Łódka kwarcowa zawierająca metaliczny gal (chlorator) znajduje się w strefie co
najmniej 850°C - po przepuszczeniu nad galem gazowego HCl rozcieńczonego wodorem powstaje
lotny monochlorek galu, który transportowany jest do strefy osadzania. Po drodze miesza się on z
amoniakiem. W wysokich temperaturach monochlorek galu i amoniak ulegają rozpadowi. W strefie
osadzania (temperatura ok. 1000-1050°C) atomowy azot i atomowy gal łączą się i osadzają m.in.
na podłożu (np. szafirowym).

Rys. Schemat stanowiska HVPE do otrzymywania warstw GaN. Azot używany jest jako gaz
płuczący w czasie postoju, załadunku i rozładunku reaktora. Wodór jest gazem nośnym używanym
w czasie procesu.

Metoda chlorkowa.

Główna różnica między metodą wodorkową a chlorkową polega na stosowaniu w metodzie
chlorkowej jako źródła pierwiastków V grupy układu okresowego gazowych związków arsenu lub
fosforu: AsCl3 i PCl3. Metoda ta była rzadziej stosowana niż metoda wodorkowa.

MBE

MBE (Molecular Beam Epitaxy - epitaksja z wiązek molekularnych) jest bardzo
wyrafinowaną techniką osadzania cienkich warstw [3, 4]. Umożliwia ona osadzanie bardzo
cienkich warstw rzędu nm o ściśle określonym składzie chemicznym i precyzyjnym
rozkładzie profilu koncentracji domieszki. Możliwe jest to dzięki doprowadzaniu do podłoża
składników warstwy oddzielnymi wiązkami molekularnymi. Całość procesu odbywa się w
komorze ultrawysokiej próżni (Ultra High Vacuum - UHV) - ciśnienie rzędu 10-9Pa. Typowe
stanowisko MBE wyposażone jest w efuzyjne komórki Knudsena ze źródłami pierwiastków
i związków z indywidualnymi mechanicznymi przesłonami oraz w RHEED.

W metodzie tej wykorzystuje się głównie zjawiska fizyczne w celu otrzymania warstw
epitaksjalnych.

Elementy systemu:

●

Blok grzejny podłoża.
Blok grzejny podłoża spełnia dwie ważne funkcje: pozycjonuje podłoże na przecięciu się
różnych wiązek molekuł i atomów oraz ogrzewa go do temperatury wzrostu warstw. Blok
może być obracany i pochylany. W typowych zastosowaniach blok grzejny ma temperaturę
rzędu 200÷700°C. Temperatura podłoża jest parametrem, za pomocą którego sterujemy
kinetyką wzrostu warstw.

●

Komórki efuzyjne
Komórki efuzyjne, wykonane najczęściej z pirolitycznego azotku boru (PBN), umożliwiają
otrzymywanie atomowych lub molekularnych wiązek składników osadzanej warstwy, które
są kierowane na grzane podłoże. Komórki są grzane radiacyjnie przez grzejniki elektryczne
z regulacją temperatury z dokładnością lepszą niż ± 0,1K.

●

Przesłony mechaniczne.
Indywidualne przesłony mechaniczne pozwalają na sterowanie transportem masy do
podłoża. Wykonywane są one z materiałów trudno topliwych, muszą jednocześnie być
lekkie, aby możliwe było szybkie i dokładne odsłonięcie lub zasłonięcie wylotu źródła oraz
odporne mechanicznie - przy wzroście złożonych struktur konieczne jest częste (nawet
setki razy w jednym procesie osadzania) cykliczne otwieranie i zamykanie przesłon.

●

System pompowy UHV.
System pompowy UHV jest niezbędny w celu uzyskania wysokiej próżni w komorze
reakcyjnej, m.in. aby zminimalizować ilość zanieczyszczeń tła. Typowe ciśnienie przy
podłożu podczas parowanie jest rzędu 10-3÷10-2 Pa.

●

RHEED.
Piątym, dosyć ważnym i często stosowanym, elementem stanowiska MBE jest urządzenie
do dyfrakcji odbiciowej elektronów o dużych energiach (RHEED). Umożliwia ono kontrolę
in-situ szybkości wzrostu i jakości krystalicznej warstwy.

MOVPE

MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy - epitaksja z fazy gazowej z użyciem związków
metaloorganicznych) zwane również MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition -
osadzanie z par chemicznych związków metaloorganicznych) jest techniką epitaksjalną,
polegającą na osadzaniu warstw ze związków metaloorganicznych, przy czym reagenty znajdują
się w fazie gazowej. Osadzanie zachodzi przy ciśnieniu atmosferycznym lub obniżonym
(LPMOVPE). Minimalne szybkości wzrostu warstw są rzędu kilku nm/min., zaś najczęściej
stosowane to 15 ÷ 25 nm/min. MOVPE jest w odróżnieniu od MBE metodą chemicznego
wytwarzania struktur epitaksjalnych.

Gaz nośny (najczęściej wodór) przepływając przez saturator nasyca się parami związku
metaloorganicznego, których stężenie określone jest temperaturą saturatora i transportuje te opary
do reaktora. Tu dostarczane są także wodorki V grupy oraz (ewentualnie) domieszki. Jednorodna
mieszanina gazów ulega w wysokiej temperaturze pirolizie i dochodzi do grzanego podłoża w
postaci atomów lub cząsteczek osadzanej substancji, które są wiązane na jego powierzchni.

W reaktorze proces przebiega w warunkach dalekich od równowagi chemicznej, to znaczy, że dla
typowych jego parametrów może zachodzić jedynie osadzanie.

Jest to bardzo istotna różnica w porównaniu z LPE - techniką quasi-równowagową, gdzie zachodzi
równocześnie osadzanie i rozpuszczanie warstwy, a wynikowy kierunek i szybkość procesu silnie
zależą od temperatury. Kinetyką wzrostu w technice MOVPE jest stosunkowo łatwo sterować. Jest
ona względnie mało czuła na zmiany temperatury procesu (dopuszczalne wahania ± 5K).

Technika MOVPE jest mniej skomplikowana pod względem realizacji aparaturowej od klasycznej
VPE. Wymagany jest przede wszystkim szczelny reaktor i grzanie indukcyjne lub radiacyjne
(lampy halogenowe) grafitowej podstawy podłoża. Mała czułość na zmiany temperatury procesu,
łatwość sterowania składem osadzanej warstwy oraz możliwość otrzymywania jednorodnych
struktur na dużych powierzchniach, zadecydowały o tym, że w technologii MOVPE stosunkowo
prosto można otrzymać wielowarstwowe heterostruktury o pożądanych parametrach, aż do
wielokrotnych studni kwantowych włącznie.

Diody elektroluminescencyjne

Materiałem konstrukcyjnym na diody LED są związki grupy AIIIBV z prostą przerwą energetyczną.
Stosuje się zarówno dwu, trzy jak i czteroskładnikowe półprzewodniki. Istotą konstrukcji i
technologii jest dobranie składu, który zapewni odpowiednią długość emitowanej fali oraz
dopasowanie sieciowe do podłoża.

Najprostsza dioda to po prostu złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Zwiększona
koncentracja nośników mniejszościowych w obszarze o przeciwnym typie przewodnictwa prowadzi
do rekombinacji par elektron-dziura. Energia wyzwolona w tej rekombinacji jest w przybliżeniu
równa wartości przerwy energetycznej Eg. Jeśli energia ta będzie w postaci fotonu, to długość
emitowanej fali określona jest strukturą energetyczną materiału.

Właściwości diod elektroluminescencyjnych

●

Dioda elektroluminescencyjna emituje światło o mocy narastającej w przybliżeniu liniowo
ze wzrostem prądu zasilania. Dlatego diody są dobrym źródłem światła dla modulacji
analogowej. Nieliniowość wynika z typu diody.

●

Emisja spontaniczna jest emisją nieuporządkowaną i zachodzi w rozbieżnych
kierunkach, kąt rozbieżności jest zwykle większy od 20°.

●

LED emituje dość szerokie widmo ciągłe z pewnego przedziału długości fali - ok. 20 nm.

●

LED emituje małą moc sygnału - znacznie poniżej 100mW.

●

Znacznie niższy koszt w porównaniu z laserem półprzewodnikowym.

Główne parametry diod LED:

●

sprawność kwantowa (zewnętrzna);

●

skuteczność świetlna;

●

długość fali emitowanego światła;

●

szerokość widmowa;

●

moc wyjściowa;

●

częstotliwość graniczna;

●

czas narastania lub opadania;

●

maksymalny prąd (przewodzenia) zasilający (w mA);

●

maksymalne napięcie wsteczne (do kilku V).

Wykres zależności mocy diody od prądu.

Charakterystyka wykazuje nieliniowość przy większych prądach w zależności mocy świetlnej od
prądu płynącego przez diodę, jedną z przyczyn tej nieliniowości jest wzrost temperatury złącza
przy większych prądach.

Wpływ budowy na charakterystykę mocy od prądu.

Dioda powierzchniowa

Najprostsze do wykonania diody elektroluminescencyjne wykorzystują homozłącza p-n do
wstrzykiwania nadmiarowych elektronów do warstwy p, w której następuje rekombinacja
promienista. Gęstość prądu sięga kilku tysięcy A/cm2. Proces osiągać może sprawności kwantowe
rzędu 50%, ale niestety nie decyduje to całkowitej sprawności diody. Rozbieżność światła
emitowanego przez diodę powierzchniową jest duża.

Najczęściej stosowana w telekomunikacji jest konfiguracja diody typu Burrusa. Wykonuje się tam
zagłębienie w podłożu z GaAs w celu zmniejszenia zachodzącej w nim silnej absorpcji
emitowanego promieniowania i maksymalnego zbliżenia światłowodu do struktury emitującej
światło. Promieniowanie trafia bezpośrednio do światłowodu.

Dioda krawędziowa

Struktura diody Burrusa niezbyt dobrze ogranicza obszar, w którym płynie prąd, co prowadzi do
niekorzystnego zmniejszenia gęstości prądu i powiększenia obszaru, z którego emitowane jest
promieniowanie. Pokazana dioda ma konstrukcję podobną do lasera paskowego.

Diody krawędziowe pracują z dużymi prądami sięgającymi nawet kilkuset mA, pozwalają
wprowadzić do światłowodu wielomodowego moce rzędu kilkuset mikro W. Ważne jest, że
całkowita moc świetlna diod powierzchniowych jest kilkakrotnie większa aniżeli diod
krawędziowych o porównywalnych parametrach. Z kolei diody krawędziowe mają o wiele większe
pasmo modulacji w porównaniu z diodami powierzchniowymi.

Dioda superluminescencyjna

Struktura diody superluminescencyjnej jest podobna diody krawędziowej i lasera
półprzewodnikowego. Od lasera różni się tym, że jeden z jej końców ma duże straty optyczne, co
zapobiega odbiciom, a w konsekwencji akcji laserowej.

Rezonatory.

Rezonator, czyli wnęka ma najczęściej kształt prostopadłościanu o rozmiarach rzędu ułamka
milimetra. Sprzężenie optyczne uzyskuje się dzięki parze zwierciadeł prostopadłych do
płaszczyzny obszaru czynnego (rezonator Fabry’ego-Perota) lub dzięki specjalnie pofałdowanej
powierzchni równoległej do tego obszaru (lasery z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym DFB -
Distributed FeedBack). Współczesne systemy transmisyjne często wymagają jednomodowej pracy
lasera – większość laserów daje taką możliwość, lecz nie jest wystarczająco selektywna.
Spowodowane jest to przez zastosowanie rezonatora Fabry-Perota (o periodycznym charakterze
sprzężenia zwrotnego). W celu wyeliminowania tej niedogodności stosuje się często tzw.
selektywnie rozłożone sprzężenie zwrotne. Lasery takie można podzielić na dwie kategorie: z
rozproszonym sprzężeniem zwrotnym (DFB – distributed feedback – rys. a) i ze zwierciadłem
Bragga na końcach struktury (DBR – distributed Bragg reflector – rys. b).

Rezonator:

●

zapewnia dodatnie sprzężenie zwrotne

●

wymusza oscylacje na częstościach rezonansowych (powstają mody -fale stojące)

●

ingeruje w szerokość połówkową linii emisji (im lepszy rezonator tym węższa linia
monochromatyczność)

●

ingeruje w geometrię wiązki (kolinearność, wpływ na spójność)

Lasery półprzewodnikowe

Lasery półprzewodnikowe, czyli kwantowe generatory optyczne są laserami złączowymi, w których
ośrodkiem czynnym (aktywnym) jest półprzewodnik. Inwersję obsadzeń poziomów
energetycznych, (inaczej pompowanie) uzyskuje się poprzez wstrzykiwanie mniejszościowych
nośników ładunku do obszaru złącza p-n (lub heterozłącza) spolaryzowanego w kierunku
przewodzenia.

Dla zainicjowania akcji laserowej prąd zasilający musi mieć odpowiednią wartość zwaną prądem
progowym Ith.

Emisja wymuszona jest emisją w dużym stopniu uporządkowaną, a emitowana wiązka światła ma
niewielką rozbieżność kątową, zazwyczaj kilka stopni. Stosowane w telekomunikacji lasery dają
dużą moc dochodzącą do jednego wata. Istotną zaletą diody laserowej jest jej wąskie widmo
częstotliwościowe promieniowania, rzędu kilku nanometrów lub nawet kilku dziesiątych części
nanometra. Jednakże, obecność zwierciadeł na końcach struktury może spowodować generację
kilku różnych długości fal promieniowania - długość rezonatora jest skwantowana i wytworzyć się
może kilka fal stojących. Dlatego też widmo częstotliwościowe promieniowania laserowego jest
widmem dyskretnym. Wyróżnia się z tego powodu dwa typy laserów:

●

wielomodowe - generacja kilku (co najmniej dwóch) modów laserowych różniących się
częstotliwością i długością fali świetlnej.

●

jednomodowe - generacja jednego modu laserowego czyli jednej częstotliwości i jednej
długości fali świetlnej.

W rezonatorze wzbudzają się tylko te rodzaje drgań pola elektromagnetycznego (zwane modami),
którym odpowiada największa dobroć rezonatora.

Rozróżnia się w ten sposób trzy rodzaje modów:

●

mody podłużne

●

mody boczne

●

mody poprzeczne

Zjawiska występujące w laserach:

●

absorpcja

●

emisja spontaniczna

●

emisja wymuszona

●

stan metastabilny

●

pompowanie (optyczne, prądowe)

●

inwersja obsadzeń

●

rezonator (optyczne sprzężenie zwrotne)

Konstrukcje diod laserowych:

●

lasery F-P

●

lasery ze studniami kwantowymi (SQ, MSQ)

●

lasery DFB, DBR

●

lasery VCSEL

Lasery diodowe (homozłączowe)

Główną wadą tych laserów jest wartość progowej
gęstości prądu sięgająca kA/cm2.
Lasery te nie są praktycznie stosowane.

Rys.

a) schemat pasmowy bez polaryzacji
b) polaryzacja w kierunku przewodzenia

Laser heterozłączowy

Rys. Uproszczony schemat struktury
heterozłączowej spolaryzowanej w kierunku
przewodzenia i zmiana współczynnika
załamania w przekroju poprzecznym złącza.

Laser paskowy

Zależność mocy optycznej od prądu jest nieliniowa, wykazuje załamania spowodowane
zmianami emitowanego modu poprzecznego. Występuje niestabilność charakterystyki
przestrzennej emitowanego promieniowania. Prąd progowy 100-150 mA, wielomodowość.

Rys. Schemat lasera paskowego heterozłączowego.

Laser z warstwą zagrzebaną

Uformowanie falowodu wzdłuż złącza. Rejon aktywny otoczony jest przez warstwy
materiału o mniejszym współczynniku załamania. Rozkład przestrzenny emitowanego
modu stabilny, lasery zapewniają generację tylko jednego modu poprzecznego. Prądy
progowe 10-20 mA, zależność mocy optycznej od prądu nie wykazuje nieliniowości.

Laser z wieloma studniami kwantowymi (MQW)

Warstwa aktywna składa się z wielu bardzo cienkich warstw dla typowych struktur
konwencjonalnych różniących się szerokością warstwy zabronionej. Istotną rolę odgrywają
efekty kwantowe. Laser charakteryzuje się mniejszą wartością prądu progowego i jego
wrażliwością na temperaturę, kilkukrotnie mniejsze od konwencjonalnych struktur
szerokość linii widmowej i mniejsze migotanie.

Laser o emisji powierzchniowej typu VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting
Laser).

VCSEL jest bardziej efektywny niż tradycyjne lasery, dostarczając jednocześnie większą
szerokość pasma niż źródła oparte o diody LED. Ten rodzaj źródła światła
wykorzystywany jest w sieciach Gigabit Ethernet opartych na kablach wielomodowych

Typowe charakterystyki LD.

●

Charakterystyka emisyjna

Część pierwsza charakterystyki obrazuje moc promieniowania spontanicznego,
druga, szybko rosnąca, wyznacza moc promieniowania spójnego, a jej nachylenie
jest miarą sprawności kwantowej przyrostowej lasera. Schodki są wynikiem
niestabilności struktury modowej.

●

Charakterystyka emisyjna – wpływ temperatury

Temperatura ma wpływ na wydajność
optyczna oraz efektywność modulacji
lasera.

●

Charakterystyka widmowa

Charakterystyka składa się z wielu wierzchołków wynikających z jednoczesnego
wzbudzania w rezonatorze wielu rodzajów drgań. Długość fali odpowiadająca
wierzchołkom dominującym związana jest z szerokością pasma zabronionego w
półprzewodniku, z którego zrobiony jest laser.