Halbleiterlaser

Ein Halbleiterlaser ist ein miniaturisierter Laser, der einen Pn-Übergang oder Pin-Übergang verwendet, der aus einem Halbleitermaterial mit direkter Bandlücke als Arbeitssubstanz besteht. Es gibt Dutzende von Halbleiterlaser-Arbeitsmaterialien. Zu den Halbleitermaterialien, die zu Lasern verarbeitet wurden, gehören Galliumarsenid, Indiumarsenid, Indiumantimonid, Cadmiumsulfid, Cadmiumtellurid, Bleiselenid, Bleitellurid, Aluminiumgalliumarsenid, Indiumphosphor, Arsen usw. Es gibt drei Hauptanregungsmethoden für Halbleiter Laser, nämlich vom elektrischen Injektionstyp, vom optischen Pumptyp und vom Hochenergie-Elektronenstrahl-Anregungstyp. Das Anregungsverfahren der meisten Halbleiterlaser ist die elektrische Injektion, d. h. es wird eine Durchlassspannung an den Pn-Übergang angelegt, um eine stimulierte Emission im Bereich der Übergangsebene zu erzeugen, d. h. eine in Vorwärtsrichtung vorgespannte Diode. Daher werden Halbleiterlaser auch als Halbleiterlaserdioden bezeichnet. Da bei Halbleitern Elektronen eher zwischen Energiebändern als diskreten Energieniveaus wechseln, ist die Übergangsenergie kein definitiver Wert, wodurch die Ausgangswellenlänge von Halbleiterlasern über einen weiten Bereich gestreut wird. auf der Strecke. Die emittierten Wellenlängen liegen zwischen 0,3 und 34 µm. Der Wellenlängenbereich wird durch die Energiebandlücke des verwendeten Materials bestimmt. Am gebräuchlichsten ist der AlGaAs-Doppelheteroübergangslaser, der eine Ausgangswellenlänge von 750–890 nm hat.

Die Halbleiterlaser-Fertigungstechnologie hat Erfahrungen vom Diffusionsverfahren bis zur Flüssigphasenepitaxie (LPE), Dampfphasenepitaxie (VPE), Molekularstrahlepitaxie (MBE), MOCVD-Verfahren (Aufdampfen von metallorganischen Verbindungen), chemische Strahlepitaxie (CBE)) gemacht. und verschiedene Kombinationen davon. Der größte Nachteil von Halbleiterlasern besteht darin, dass die Laserleistung stark von der Temperatur beeinflusst wird und der Divergenzwinkel des Strahls groß ist (im Allgemeinen zwischen einigen Grad und 20 Grad), sodass er eine schlechte Richtwirkung, Monochromatizität und Kohärenz aufweist. Mit der schnellen Entwicklung von Wissenschaft und Technologie schreitet die Forschung von Halbleiterlasern jedoch in Richtung Tiefe voran, und die Leistung von Halbleiterlasern verbessert sich ständig. Die optoelektronische Halbleitertechnologie mit dem Halbleiterlaser als Kernstück wird sich weiter entwickeln und in der Informationsgesellschaft des 21. Jahrhunderts eine größere Rolle spielen.

Wie funktionieren Halbleiterlaser?

Ein Halbleiterlaser ist eine kohärente Strahlungsquelle. Damit es Laserlicht erzeugt, müssen drei Grundbedingungen erfüllt sein:

1. Verstärkungsbedingung: Die Inversionsverteilung von Trägern im Lasermedium (aktiver Bereich) wird hergestellt. Im Halbleiter besteht das Energieband, das die Elektronenenergie darstellt, aus einer Reihe von nahezu kontinuierlichen Energieniveaus. Daher muss im Halbleiter, um eine Besetzungsinversion zu erreichen, die Anzahl der Elektronen am unteren Ende des Leitungsbandes des hochenergetischen Zustands viel größer sein als die Anzahl der Löcher am oberen Ende des Valenzbands des niederenergetischen Zustands Zustand zwischen den beiden Energiebandregionen. Der Heteroübergang ist in Vorwärtsrichtung vorgespannt, um notwendige Träger in die aktive Schicht zu injizieren, um Elektronen aus dem Valenzband mit niedrigerer Energie in das Leitungsband mit höherer Energie anzuregen. Stimulierte Emission tritt auf, wenn eine große Anzahl von Elektronen in einem Zustand der Besetzungsinversion mit Löchern rekombinieren.

2. Um tatsächlich eine kohärente angeregte Strahlung zu erhalten, muss die angeregte Strahlung im optischen Resonator mehrfach zur Ausbildung einer Laserschwingung rückgekoppelt werden. Der Laserresonator wird durch die natürliche Spaltfläche des Halbleiterkristalls als Spiegel gebildet, normalerweise in Das Ende, das kein Licht emittiert, ist mit einem hochreflektierenden dielektrischen Mehrschichtfilm beschichtet, und die lichtemittierende Oberfläche ist mit einem Anti- Reflexionsfolie. Für den Halbleiterlaser mit F-p-Hohlraum (Fabry-Perot-Hohlraum) kann der F-p-Hohlraum leicht gebildet werden, indem die natürliche Spaltungsebene des Kristalls senkrecht zur Ebene des p-n-Übergangs verwendet wird.

3. Um eine stabile Oszillation zu bilden, muss das Lasermedium in der Lage sein, eine ausreichend große Verstärkung bereitzustellen, um den durch den Resonator verursachten optischen Verlust und den durch die Laserausgabe von der Resonatoroberfläche usw. verursachten Verlust kontinuierlich zu kompensieren Erhöhen Sie das optische Feld in der Kavität. Dies erfordert eine ausreichend starke Strominjektion, d. h. es gibt genügend Besetzungsinversion, je höher der Grad der Besetzungsinversion, desto größer die erhaltene Verstärkung, d. h. es muss eine bestimmte Stromschwellenbedingung erfüllt werden. Wenn der Laser die Schwelle erreicht, kann das Licht mit einer bestimmten Wellenlänge in der Kavität mitschwingen und verstärkt werden und schließlich einen Laser bilden und kontinuierlich ausgeben. Es ist ersichtlich, dass in Halbleiterlasern der Dipolübergang von Elektronen und Löchern der grundlegende Prozess der Lichtemission und Lichtverstärkung ist. Für neue Halbleiterlaser wird derzeit anerkannt, dass Quantentöpfe die Grundlage bilden treibende Kraft für die Entwicklung von Halbleiterlasern. Ob Quantendrähte und Quantenpunkte Quanteneffekte voll ausnutzen können, wurde bis in dieses Jahrhundert verlängert. Wissenschaftler haben versucht, selbstorganisierte Strukturen zu verwenden, um Quantenpunkte in verschiedenen Materialien herzustellen, und GaInN-Quantenpunkte wurden in Halbleiterlasern verwendet.

Entwicklungsgeschichte von Halbleiterlasern

Die Halbleiterlaser der frühen 1960er Jahre waren Homoübergangslaser, bei denen es sich um aus einem Material hergestellte pn-Übergangsdioden handelte. Unter der großen Vorwärtsstrominjektion werden Elektronen kontinuierlich in den p-Bereich injiziert, und Löcher werden kontinuierlich in den n-Bereich injiziert. Daher wird die Umkehrung der Trägerverteilung in der ursprünglichen Verarmungszone des pn-Übergangs realisiert. Da die Wanderungsgeschwindigkeit von Elektronen schneller ist als die von Löchern, treten im aktiven Bereich Strahlung und Rekombination auf und es wird Fluoreszenz emittiert. Lasern, ein Halbleiterlaser, der nur gepulst arbeiten kann. Die zweite Stufe der Entwicklung von Halbleiterlasern ist der Heterostruktur-Halbleiterlaser, der aus zwei dünnen Schichten von Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Bandlücken besteht, wie GaAs und GaAlAs, und der Single-Heterostruktur-Laser erschien zuerst (1969). Der Single-Heterojunction-Injektionslaser (SHLD) befindet sich innerhalb des p-Bereichs des GaAsP-N-Übergangs, um die Schwellenstromdichte zu reduzieren, die um eine Größenordnung niedriger ist als die des Homojunction-Lasers, aber der Single-Heterojunction-Laser kann immer noch nicht kontinuierlich arbeiten an Zimmertemperatur.

Seit den späten 1970er Jahren haben sich Halbleiterlaser offensichtlich in zwei Richtungen entwickelt, zum einen ein informationsbasierter Laser zum Zweck der Informationsübertragung und zum anderen ein leistungsbasierter Laser zum Zwecke der Erhöhung der optischen Leistung. Angetrieben von Anwendungen wie gepumpten Festkörperlasern, Hochleistungs-Halbleiterlasern (Dauerausgangsleistung von mehr als 100 mW und Impulsausgangsleistung von mehr als 5 W können als Hochleistungs-Halbleiterlaser bezeichnet werden).

In den 1990er Jahren gelang ein Durchbruch, der durch eine deutliche Steigerung der Ausgangsleistung von Halbleiterlasern, die Kommerzialisierung von Hochleistungs-Halbleiterlasern im Kilowatt-Bereich im Ausland und die Leistung von heimischen Mustergeräten bis 600 W gekennzeichnet war. Im Hinblick auf die Erweiterung des Laserbandes wurden zunächst Infrarot-Halbleiterlaser, gefolgt von roten 670-nm-Halbleiterlasern, weit verbreitet. Mit dem Aufkommen der Wellenlängen von 650nm und 635nm wurden dann nach und nach auch Blaugrün- und Blaulicht-Halbleiterlaser erfolgreich entwickelt. Violette und sogar ultraviolette Halbleiterlaser in der Größenordnung von 10 mW werden ebenfalls entwickelt. Oberflächenemittierende Laser und oberflächenemittierende Laser mit vertikaler Kavität haben sich Ende der 1990er Jahre schnell entwickelt, und eine Vielzahl von Anwendungen in der superparallelen Optoelektronik wurden in Betracht gezogen. 980-nm-, 850-nm- und 780-nm-Geräte sind in optischen Systemen bereits praktikabel. Gegenwärtig werden oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator in Hochgeschwindigkeitsnetzwerken von Gigabit Ethernet verwendet.

Anwendungen von Halbleiterlasern

Halbleiterlaser sind eine Laserklasse, die früher ausreift und schneller voranschreitet. Wegen ihres breiten Wellenlängenbereichs, ihrer einfachen Herstellung, niedrigen Kosten und leichten Massenproduktion und wegen ihrer kleinen Größe, ihres geringen Gewichts und ihrer langen Lebensdauer haben sie eine schnelle Entwicklung in Variationen und Anwendungen. Ein breites Sortiment, derzeit mehr als 300 Arten.

1. Anwendung in Industrie und Technik

1) Glasfaserkommunikation. Halbleiterlaser sind die einzige praktikable Lichtquelle für optische Faserkommunikationssysteme, und die optische Faserkommunikation ist zum Mainstream der zeitgenössischen Kommunikationstechnologie geworden.

2) Disc-Zugriff. Halbleiterlaser wurden in optischen Plattenspeichern verwendet, und ihr größter Vorteil besteht darin, dass sie eine große Menge an Ton-, Text- und Bildinformationen speichern. Die Verwendung von blauen und grünen Lasern kann die Speicherdichte optischer Platten stark verbessern.

3) Spektralanalyse. Abstimmbare Ferninfrarot-Halbleiterlaser wurden in der Umgebungsgasanalyse, Überwachung der Luftverschmutzung, Autoabgase usw. verwendet. Sie können in der Industrie verwendet werden, um den Prozess der Dampfabscheidung zu überwachen.

4) Optische Informationsverarbeitung. Halbleiterlaser wurden in optischen Informationssystemen verwendet. Zweidimensionale Anordnungen von oberflächenemittierenden Halbleiterlasern sind ideale Lichtquellen für optische Parallelverarbeitungssysteme, die in Computern und optischen neuronalen Netzwerken verwendet werden.

5) Laser-Mikrofabrikation. Mit Hilfe von hochenergetischen ultrakurzen Lichtpulsen, die von gütegeschalteten Halbleiterlasern erzeugt werden, lassen sich integrierte Schaltkreise schneiden, stanzen etc.

6) Laseralarm. Halbleiterlaseralarme sind weit verbreitet, einschließlich Einbruchalarme, Wasserstandsalarme, Fahrzeugentfernungsalarme usw.

7) Laserdrucker. In Laserdruckern wurden Hochleistungs-Halbleiterlaser verwendet. Die Verwendung von blauen und grünen Lasern kann die Druckgeschwindigkeit und Auflösung erheblich verbessern