El proceso de desarrollo de láseres semiconductores
En la Conferencia Internacional sobre Investigación de Dispositivos de Estado Sólido celebrada en julio de 1962, dos académicos del Laboratorio Lincoln del MIT, Keyes y Quist, informaron sobre el arsénico. El fenómeno de la emisión de luz de los materiales de galio despertó gran interés por parte del ingeniero Hall. en el Laboratorio de Investigación de General Electric anotó los datos relevantes en el tren a casa después de la reunión. Después de regresar a casa, Hal inmediatamente formuló un plan para desarrollar un láser semiconductor y, junto con otros investigadores, después de semanas de lucha, su plan tuvo éxito.
Al igual que los diodos de cristal, los láseres semiconductores también se basan en las características de la unión p-n del material, y su apariencia es similar a la anterior. Por lo tanto, los láseres semiconductores a menudo se denominan láseres de diodo o diodos láser. Los primeros diodos láser tenían muchas limitaciones prácticas, por ejemplo, solo podían funcionar con pulsos de microsegundos a una temperatura baja de 77 K. Pasaron más de 8 años antes de que los Laboratorios Bell y el Instituto Ioffe de Física de Leningrado desarrollaran la invención. Petersburgo). Fabricar dispositivos continuos que puedan funcionar a temperatura ambiente. Los láseres semiconductores suficientemente fiables no aparecieron hasta mediados de los años 1970.
Los láseres semiconductores son muy pequeños, los más pequeños tienen el tamaño de un grano de arroz. La longitud de onda de trabajo depende del material del láser, generalmente de 0,6 a 1,55 micrones. Debido a las necesidades de diversas aplicaciones, se están desarrollando dispositivos de longitud de onda más corta. Según los informes, los láseres que utilizan compuestos de elementos de valencia II a IV, como el ZnSe, como materiales de trabajo han logrado una potencia de salida de 0,46 micrones a bajas temperaturas, mientras que la potencia de salida de los dispositivos continuos a temperatura ambiente con longitudes de onda de 0,50 a 0,51 micrones ha alcanzado más de 10 milivatios. Sin embargo, hasta el momento no se ha logrado la comercialización.
La comunicación por fibra óptica es el campo de aplicación previsible más importante del láser semiconductor. Por un lado, se trata de la comunicación por fibra óptica submarina de larga distancia a nivel mundial y, por otro lado, se trata de varias redes regionales. . Esto último incluye redes informáticas de alta velocidad, sistemas de aviónica, redes de comunicaciones sanitarias, redes de circuito cerrado de televisión de alta definición, etc. Pero en términos de volumen, los reproductores de discos compactos son el mayor mercado para este tipo de dispositivos. Otras aplicaciones incluyen impresión de alta velocidad, comunicaciones ópticas en espacio libre, fuentes de bombas láser de estado sólido, apuntamiento láser y diversas aplicaciones médicas.
El láser semiconductor de principios de la década de 1960 era un láser de homounión. Era un diodo de unión pn hecho de un material bajo la inyección de una gran corriente directa, los electrones se inyectaban continuamente en la región p. se inyectan continuamente en la región n. Como resultado, la distribución del portador se invierte en la región de agotamiento de la unión pn original. Dado que la velocidad de migración de los electrones es más rápida que la velocidad de migración de los huecos, en la región activa se produce radiación y recombinación, fluorescencia. Se emite y la luz láser se produce bajo ciertas condiciones. Este es un láser semiconductor que solo puede funcionar en forma de pulso. La segunda etapa en el desarrollo de los láseres semiconductores es el láser semiconductor de heteroestructura, que se compone de dos capas delgadas de materiales semiconductores con diferentes bandas prohibidas, como GaAs y GaAlAs. El primero en aparecer fue el láser de heteroestructura única (1969). El láser implantado de heterounión única (SHLD) utiliza la barrera de potencial proporcionada por la heterounión para confinar los electrones inyectados dentro de la región P de la unión GaAsP-N, reduciendo así la densidad de corriente umbral. Su valor es mayor que el de la homounión. Los láseres se han reducido en un orden de magnitud, pero los láseres de heterounión única todavía no pueden funcionar de forma continua a temperatura ambiente.
En 1970 se creó un láser de longitud de onda de 9000 amperios; Aring: un láser de doble heterounión GaAs-GaAlAs (arseniuro de galio-arseniuro de galio y aluminio) que funcionaba de forma continua a temperatura ambiente. El nacimiento de los láseres de doble heterounión (DHL) ha ampliado continuamente las bandas de longitud de onda disponibles y ha mejorado gradualmente el ancho de línea y el rendimiento de sintonización. Su estructura se caracteriza por el crecimiento de una capa delgada de solo 0,2 eam de espesor, sin dopar, con un espacio de energía estrecho entre los materiales tipo P y tipo n, por lo que los portadores inyectados se limitan a esta área (área activa). , la inversión del número de portadora se puede lograr inyectando menos corriente. Entre los dispositivos láser semiconductores, el láser de diodo GaAs de electroinyección con doble heteroestructura es relativamente maduro, tiene mejor rendimiento y se usa ampliamente.
Con el desarrollo de la investigación sobre el láser de heterounión, la gente ha pensado en cuál sería el resultado si se utilizara una capa semiconductora ultrafina (lt; 20 nm) como capa de excitación del láser para producir efectos cuánticos. ?Junto con los logros de la tecnología MOCVD gracias a MBE. Como resultado, en 1978 apareció el primer láser de pozo cuántico semiconductor (QWL) del mundo, que mejoró enormemente las diversas propiedades de los láseres semiconductores. Posteriormente, debido a la madurez de las tecnologías de crecimiento MOCVD y MBE, se pudieron desarrollar láseres de alta calidad. Después de utilizar materiales de capa fina ultrafina, se desarrollaron con éxito láseres de pozo cuántico con mejor rendimiento en comparación con los láseres de doble heterounión (DH), los láseres semiconductores de pozo cuántico tienen un umbral de corriente bajo, una potencia de salida alta y una respuesta de frecuencia. ventajas como líneas espectrales estrechas, buena estabilidad de temperatura y alta eficiencia de conversión electroóptica.
La característica estructural de QWL es que su área activa está compuesta por pozos de potencial múltiples o únicos con un ancho de pozo de aproximadamente 100 nm, ya que el ancho del pozo de potencial es más pequeño que la onda de electrones de De Broglie. En el material, la longitud de onda produce un efecto cuántico y la banda de energía continua se divide en niveles de subenergía, por lo que es particularmente propicio para el llenado efectivo de los portadores y la corriente de valor láser requerida es particularmente baja. en la estructura de los láseres semiconductores es simple La estructura de los láseres de pozos múltiples y de pozos cuánticos únicos (SQW) es básicamente hacer que el espesor de la capa activa de los láseres de doble heterounión (DH) ordinarios sea inferior a decenas de nm y, por lo general, hace que la barrera sea más gruesa. de modo que para obtener una mayor potencia de salida, muchos láseres semiconductores individuales generalmente se pueden combinar para formar una matriz de láseres semiconductores. Por lo tanto, cuando un láser de pozo cuántico adopta una estructura integrada de matriz, la potencia de salida puede alcanzar más de 100 W. Los láseres semiconductores de alta potencia (especialmente los dispositivos de matriz) se están desarrollando rápidamente y se han lanzado productos con potencias de salida continua de 5 W, 10 W. , 20 W y 30 W. La potencia de salida máxima del láser semiconductor pulsado es de 50 W y también se han comercializado matrices bidimensionales de 4, 5 cm x 9 cm. La potencia de salida máxima es de 350 kW. También se encuentran disponibles matrices bidimensionales.
Desde finales de la década de 1970, los láseres semiconductores se han desarrollado obviamente en dos direcciones. Un tipo son los láseres de información con el fin de transmitir información y el otro tipo son los láseres de potencia con el fin de aumentar la potencia óptica. Los láseres semiconductores de potencia (la potencia de salida continua superior a 100 W y la potencia de salida de pulso superior a 5 W pueden denominarse láseres semiconductores de alta potencia) lograron avances revolucionarios en la década de 1990, que estuvo marcada por el semiconductor. La potencia de salida de los láseres ha aumentado significativamente a nivel de kilovatios extranjeros. Se han comercializado láseres semiconductores de alta potencia y la producción de dispositivos de muestra domésticos ha alcanzado los 600 W [61. Desde la perspectiva de la expansión de la banda láser, primero vino el láser semiconductor infrarrojo y luego entraron los láseres semiconductores ópticos rojos de 670 nm. Luego, con la llegada de longitudes de onda de 650 nm y 635 nm, también se han desarrollado con éxito láseres semiconductores de luz azul-verde y azul de 10 mw de nivel violeta e incluso ultravioleta. Los láseres semiconductores desarrollados para diversas aplicaciones incluyen láseres semiconductores sintonizables, láseres semiconductores excitados por haz de electrones, láseres de retroalimentación distribuida (DFB-LD), que son las mejores fuentes de luz para "circuitos ópticos integrados" y láseres de reflexión de Bragg distribuidos (DBR). un LD) y láseres de guía de ondas duales integrados. Además, hay láseres sin aluminio de alta potencia (que eliminan el aluminio de los láseres semiconductores para obtener mayor potencia de salida, mayor vida útil y tubos más baratos), láseres semiconductores de infrarrojo medio y láseres cuánticos. Láseres en cascada, etc. Entre ellos, los láseres semiconductores sintonizables cambian la longitud de onda del láser a través de campos eléctricos externos, campos magnéticos, temperatura, presión, cuencas de dopaje, etc., y pueden modular fácilmente el haz de salida del semiconductor. Los láseres surgieron con el desarrollo de las comunicaciones por fibra óptica y los circuitos ópticos integrados. Se desarrollaron con éxito en 1991. El láser semiconductor de retroalimentación distribuida realizó completamente el funcionamiento en modo longitudinal único y abrió enormes perspectivas de aplicación en el campo de la tecnología coherente. del láser de onda viajera sin cavidad. La oscilación del láser es proporcionada por el acoplamiento óptico formado por la estructura periódica (o rejilla de difracción). La retroalimentación ya no la proporciona la cavidad resonante compuesta por el plano de escisión. Obtenga salida monomodo de frecuencia única. Junto con cables de fibra óptica, moduladores, etc., es especialmente adecuado para su uso como fuente de luz para circuitos ópticos integrados.
El láser semiconductor inyectado unipolar utiliza la transición óptica de electrones calientes entre subniveles en la banda de conducción (o banda de valencia) para lograr la emisión láser. Naturalmente, la banda de conducción y la banda de valencia deben estar en memoria en sub-. niveles de energía o subbandas, esto requiere el uso de estructuras de pozos cuánticos. Los láseres de inyección unipolares pueden obtener una gran potencia óptica y son láseres semiconductores con alta eficiencia y respuesta súper rápida, y son muy importantes para el desarrollo de láseres basados en silicio. y los láseres de longitud de onda corta son muy ventajosos. La invención de los láseres de cascada cuántica ha simplificado enormemente la forma de generar láseres con longitudes de onda específicas en un amplio rango de longitudes de onda desde el infrarrojo medio hasta el infrarrojo lejano. Solo utiliza el mismo material, y lo anterior. -Las longitudes de onda mencionadas se pueden obtener dependiendo del espesor de la capa. Los láseres de varias longitudes de onda dentro del rango. En comparación con los láseres semiconductores tradicionales, este láser no requiere un sistema de enfriamiento y puede funcionar de manera estable a temperatura ambiente. Los láseres de línea cuántica y de punto cuántico) también se están desarrollando rápidamente, y el láser de línea cuántica (Qw) de longitud de onda larga GaInAsP/Inp de Okayama en Japón ha alcanzado Im =6.A, l =37A/cm2 en condiciones de trabajo de 90kCW y tiene una alta eficiencia cuántica. Muchas unidades de investigación científica están desarrollando láser de puntos cuánticos (QD) autoensamblados. El QDLD ya tiene alta densidad, alta uniformidad y alta potencia de emisión. Debido a las necesidades reales, el desarrollo de láseres semiconductores gira principalmente en torno a reducir el umbral de densidad de corriente y ampliarlo. Se lleva a cabo la vida útil, lograr un funcionamiento continuo a temperatura ambiente y obtener monomodo, frecuencia única, ancho de línea estrecho y el desarrollo de dispositivos con varias longitudes de onda láser. Lo que surgió en la década de 1990 y es particularmente digno de mención es el láser de emisión de superficie (SEL). Ya en 1977 se propuso el llamado láser de emisión de superficie, y en 1979 se fabricó el primer dispositivo y lo fabricaron en 1987. En 1998 se desarrolló un láser de emisión superficial de 780 nm bombeado ópticamente.
El láser emisor de superficie alcanza una corriente de red de submiliamperios a temperatura ambiente, una potencia de salida de 8 mW y una eficiencia de conversión de 11 [2] El láser semiconductor mencionado anteriormente, en términos de estructura de cavidad, ya sea FP (Fabry-Poise) Luo) cavidad o cavidad DBR (reflexión de Bragg distribuida), la salida del láser es en dirección horizontal, denominada colectivamente estructura de cavidad horizontal. Sin embargo, todos emiten luz en la dirección paralela al sustrato. luz por encima y por debajo del chip, la superficie está recubierta con una película reflectante para formar una cavidad FP vertical, y la salida de luz se emite en la dirección perpendicular al sustrato. El láser semiconductor emisor de superficie de cavidad vertical (VCSELS) es un nuevo tipo. del láser de pozo cuántico. Tiene corriente de bajo valor, buena direccionalidad de la luz de salida y alta eficiencia de acoplamiento. Puede obtener una salida de potencia óptica bastante fuerte a través de la distribución de la matriz. Los láseres emisores de superficie de cavidad vertical han alcanzado temperaturas de funcionamiento de hasta 71 °C. Además, los láseres de emisión de superficie de cavidad vertical también tienen dos salidas de modo transversal de polarización mutuamente perpendiculares inestables, a saber, el modo x y el modo y. La investigación sobre la conmutación de polarización y las características de polarización biestable también ha entrado en una nueva etapa. La retroalimentación, la inyección de luz, la corriente de inyección y otros factores realizan el control del estado de polarización, logrando nuevos avances en los campos de los interruptores ópticos y los dispositivos lógicos ópticos. A finales de la década de 1990, se desarrollaron rápidamente láseres de emisión superficial y láseres de emisión superficial de cavidad vertical, y se consideraron diversas aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos superparalelos de 980 mn, 850 nm y 780 nm en sistemas ópticos. Los láseres de emisión superficial se han utilizado en redes de alta velocidad como Gigabit Ethernet. Para satisfacer las necesidades de transmisión de información de banda ancha, procesamiento de información de alta velocidad, almacenamiento de información de gran capacidad y equipos militares pequeños y de alta precisión en el siglo XXI, la tendencia de desarrollo de los láseres semiconductores se centra principalmente en LD de banda ancha de alta velocidad. , ID de alta potencia, LD de longitud de onda corta y láseres de línea de cuenca y de puntos cuánticos, LD de infrarrojo medio, etc. Se han logrado una serie de resultados significativos en estos aspectos.