Гетеролазер

ГЕТЕРОЛАЗЕР, полупроводниковый лазер на основе гетероструктур. Впервые создан на гетероструктуре GaAs- (Al, Ga)As в СССР (Ж. И. Алфёров с сотрудниками, 1968), а затем в США (1969). Наиболее широко используются инжекционные гетеролазеры, в которых активной средой является узкозонный слой гетероструктуры, представляющий собой полупроводник с высоким квантовым выходом излучательной рекомбинации. Спектр излучения гетеролазера определяется шириной запрещённой зоны узкозонного полупроводника и занимает диапазон от 0,4 мкм до нескольких десятков микрометров. Меняя потенциальные барьеры на границах с более широкозонным полупроводником и показатель преломления на границе слоёв, можно управлять областью локализации неравновесной электронно-дырочной плазмы и светового поля в гетероструктуре.

Первые низкопороговые гетеролазеры были реализованы на основе двойной (с двумя гетеропереходами) гетероструктуры (ДГС) с активным слоем из узкозонного полупроводника, заключённым между двумя широкозонными. Совпадение области инверсной населённости и области светового поля позволяет достигать генерации излучения при малом токе накачки. Неравновесные носители можно локализовать в значительно меньшей области, чем световое поле. Так, в ДГС-лазерах толщину узкозонного активного слоя удаётся довести до размеров длины волны де Бройля электрона с кинетической энергией, близкой к высоте потенциального барьера на границах (около 6-8 нм). Толщина оптического волноводного слоя такого гетеролазера порядка длины волны генерируемого излучения и зависит от показателя преломления n среды. Гетеролазер можно рассматривать как планарный оптический волновод со встроенными в него активными усиливающими квантоворазмерными областями (квантовыми точками и квантовыми ямами). Волновод образован за счёт изменения n в плоскости, перпендикулярной гетеропереходу, а локализация электронов и дырок в квантоворазмерных областях обеспечена потенциальными барьерами на границе с более широкозонным полупроводником.

Реклама

Зеркалами гетеролазера обычно служат грани кристалла. В гетеролазере используются также внешние оптические резонаторы или положительная обратная связь, основанная на распределённом отражении света от периодических оптических неоднородностей. Для этого на поверхность волноводного слоя гетеролазера наносится дифракционная решётка с периодом, кратным целому числу полуволн излучения в среде. Различают гетеролазеры с распределённой обратной связью (РОС), когда световая волна взаимодействует с решёткой в области усиления, и с распределённым брэгговским отражением (РБО), когда решётка нанесена на пассивную часть волноводной структуры гетеролазера. Эти гетеролазеры характеризуются узкополосностью (порядка 0,1 нм) и высокой температурной стабильностью. Дифракционная решётка используется также для вывода излучения, что улучшает направленность излучения и повышает его мощность. Гетеролазеры с РБО и РОС могут быть сформированы в едином технологическом процессе с другими элементами интегральной оптики, базирующимися на полупроводниковых волноводных гетероструктурах. Принципиально другая конструкция гетеролазера реализуется, когда в качестве зеркал используются многослойные интерференционные покрытия в виде выращенных на подложке эпитаксиальных слоёв с периодическим изменением показателя преломления. В этом случае при коэффициенте отражения, близком к 1, может иметь место генерация излучения перпендикулярно плоскости подложки.

Различные конструкции гетеролазеров позволяют генерировать излучение мощностью от долей милливатт до десятков ватт. Гетеролазеры используются в информационных системах (волоконно-оптическая связь, запись и считывание информации в компакт-дисках), для оптической накачки твердотельных лазеров, в проекционном телевидении, медицине (лазерная диагностика, терапия и хирургия). Гетеролазеры вытесняют газовые и твердотельные лазеры практически из всех областей их применения.

Лит.: Кейси Х., Паниш М. Лазеры на гетероструктурах. М., 1981. Т. 1-2; Елисеев П. Г. Введение в физику инжекционных лазеров. М., 1983; Алферов Ж. И. Двойные гетероструктуры: концепция и применение в физике, электронике и технологии. [Нобелевская лекция] // Успехи физических наук. 2002. Т. 172. Вып. 9.

Ж. И. Алфёров, Е. Л. Портной.

Связанные статьи