11. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ ДЛЯ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

11.1. РАЗРАБОТКА ПОЛОСКОВЫХ ЛАЗЕРОВ

В гл. 10 рассматривался принцип работы полупроводниковых лазеров. Цель 11астоя1цей главы - более детальное описание некоторых полупроводниковых лазеров, предназначенных для использования в оптических системах связи. Будут рассмотрены их конструкции, электрические и оптические характеристики. Основные требования, предъявляемые к лазерному источнику для связи:

а) непрерывный или квазинепрерывный режим работы при температуре не ниже комнатной;

б) срок службы порядка 10* ч (12 лет), в течение которого не должно происходить чрезмерного ухудшения характеристик, а вероятность отказа должна оставаться низкой;

в) низкий пороговый ток (/пор);

г) широкая полоса модуляции;

д) линейная зависимость выходной мощности от тока;

е) малая излучающая площадь, позволяющая получить высокий коэффициент связи с волокном;

ж) высокая кратковременная и долговременная стабильность мощности;

з) высокая яркость;

и) высокая монохроматичность.

В этой главе выясним, в какой степени полупроводниковые лазеры могут удовлетворить этим требованиям.

Необходимо отметить, что надежность источника света - один из основных факторов, сдерживающих внедрение волоконных систем в телефонную связь. Первые полупроводниковые инжекционные лазеры выходили из строя через несколько минут, и даже после разработки приборов на основе двойной гетероструктуры срок службы в несколько часов считался нормальным. Каждый, кто имел дело с проектированием или разработкой электронной аппаратуры, знает, что всегда имеется много причин, по которым какой-либо конкретный прибор может оказаться неработоспособным. Изучение работы полупроводниковых лазеров выявило большое число возможных механизмов деградации. Одна из серьезных проблем - выявление причин деградации и улучшение рабочих характеристик. Здесь будет рассмотрен общий подход и некоторые из предложенных решений. Желающие познакомиться с вопросом более глубоко могут воспользоваться специальной литературой 17.11, [10.11, [10.21 или какой-либо из многочисленных обзорных статей, например [11.11.

Первый полупроводниковый лазер был изготовлен в 1962 г. В нем

Первые работы по полупроводниковым лазерам выполнены в СССР под руководством Н.Г. Басова, а по гетеролазерам - в лаборатории Ж. И. Алферова. - Прим. ред. перевода.

" 0,2 O.t 0.6 0,8 1,0 ct,MKM Рис. 11.1. Зависимость пороговой плотности тока от толщины активного слоя.

Кружочками обозиачеиы эксперимеитальиые точки, полученные Е. Пнпкасом с соавторами. [GaAs-AliGai-xAs dauble heterostracture lasers-ellect of doping on lasing characteristics of GaAs.-J. Appl. Pliys. 43. 2827-35 (1972).]

Они относятся к GaAIAs/GaAs лазеру с резонатором длиной 380 мкм. Степень легирования активного слоя лс!м6-1(Я м-=. Доля алюминия в ограничивающем слое л; = 0,25 Крестики соответствуют экспериментальным значениям, полученным в работе Н. Kressel and М. Ettenberg, Lovethresliold double heterojunction AIOaAs/OaAs laser diods; tlieory and experiment.-J. Appl. Piiys. 47. 3533 - 7 (1976).

Они получены на диодах с площадью активной области 500X100 мкм при концентрации примесей SlO „-з (отсутствие легирования). В ограничивающем слое лг~0,65

использовался диффузионный гомопереход на GaAs. Таким образом, толщина активного слоя определялась диффузионной длиной, поскольку отсутствовали внешние средства оптического или токового ограничения. Пороговая плотность тока при комнатной температуре в первых приборах составляла 300 ... 500 А/мм* и возможен был только импульсный режим работы. Охлаждение перехода сопровождалось снижением пороговой плотности тока, которая при температуре жидкого азота (77 К) доходила до 5 ... 10 А/мм*. Самая высокая температура, при которой еще удавалось поддерживать непрерывный режим, лежала в районе 200 К.

В 1968-1970 гг. была разработана описанная в гл. 9 технология, в результате чего появились гетеропереходы на основе GaAIAs/ /GaAs. Качество этих переходов позволило получить высокую внутреннюю квантовую эффективность и осуществить лазерный режим работы. Типичный лазер на одинарной гетероструктуре содержал р-Р-гетеропереход между GaAs и GaAIAs с интервалом в несколько микрометров. В результате токового и оптического ограничения пороговую плотность тока при комнатной температуре удалось снизить до 100 А/мм*. Вскоре была обнаружена возможность изготовить двойную гетероструктуру, что привело к дальнейшему уменьшению пороговой плотности тока. Согласно формуле (10.3.5) Уцор Должна быть пропорциональна толщине активного слоя d. Экспериментальные результаты, представленные на рис. 11.1, подтверждают это. Коэффициент оптического ограничения Г снижается в области, где d/X становится меньше 0,5. Это приводит к некоторому возрастанию минимального значения

•пор> которое в приведенном примере составило 12 А/мм* при толщине 0,1 мкм. Такая малая величина пороговой плотности тока позволяет работать в непрерывном режиме при комнатной температуре, тем самым оказывается выполненным первое из перечисленных ранее требований. Можно добиться еще меньших значений J„gp, если увеличить скачок показателя преломления в гетероструктуре и тем самым уменьшить толщину активного слоя без снижения Г. Имеются сообщения, что в диодах, использующих Ga, Alo.es As, удалось получить цр = = 5 А/мм* при d« 0,1 мкм. Изменение показателя преломления на границе между активным и ограничивающим слоями гетероструктуры при этом составляло 0,4.

Приведенный в гл. 10 теоретический анализ полупроводникового лазера был сделан в одномерном приближении, причем неодиороднос-

АптиВная аВяасть

p*GaAs

нантантный слой pGaAs -актидный слой

Мапалличесний кантант а теплоатВод

- Отрицательный нонтант

p*GaAs нантантный слой pGafls ~ активндш слой

Высоноомные области, .

полученные протаммай 5омбардироВнаи или нислораднай имплантацией / Лнтивная .

/ область \

n-GaAs

блокирую-,

щийслой

p-CaAs

активный

слой

n-Gahi подл от ка

р * область (диффузия In)

Металлический на н таят и Гтеплаатвад v-p-GaAlAs\ I -n-GaAiRsj I

-Отрицательный нонтант

Пало/нительный контакт и -теплоатВод

-p-GaAlfts\ а п-БаЛШ I I

Отрицательный нонтант