Lucrarea nr. 4

STUDIUL PARAMETRILOR DE EMISIE AI DIODEI LASER

1. Scopul lucrrii Lucrarea are scopul de a prezenta cteva aspecte de baz ale emisiei

diodelor laser i de a iniia studenii n investigarea proprietilor fasciculelor acestor surse optice de mare importan tiinific i tehnologic.

2. Teoria lucrrii Laserii cu semiconductori, n varianta constructiv de diode laser, reprezint sursele de radiaie laser produse astzi n cantitatea cea mai mare, pentru utilizri din cele mai diverse, de la citirea de compact-disc-uri, pn la telecomunicaii

2.1. Principii fizice ale realizrii inversiei de populaie n semiconductori

ntr-un cristal semiconductor, nivelele energetice posibile ale electronilor n cristal sunt distribuite n banda de valen (BV) i banda de conducie (BC), benzi energetice separate printr-o band interzis de pn la ~ 3 eV. Pentru creterea artficial a conductivitii electrice la temperatura camerei, semiconductorul poate fi dopat cu impuriti donoare de electroni (electronii sunt purttori de sarcin majoritari), sau cu impuriti acceptoare de electroni, (golurile sunt purttori majoritari). Considerm cazul unui dopaj peste o anumit limit a concentraiei de impuriti, att donoare ct i acceptoare, astfel nct, att n BC ct i n BV, electronii nu pot avea energii dect pn la anumite valori, denumite cvasi-nivele Fermi: EFC n BC i, respectiv, EFV n BV. Acesta este cazul unui aa-numit semiconductor extrinsec degenerat. Probabilitile de ocupare a nivelelor energetice E ale electronilor n BC i BV sunt caracterizte prin funciile de distribuie Fermi-Dirac, particularizate pentru fiecare band energetic n parte:

,

1

1

+=

TkEEc

BFC

e

f (1)

n banda de conducie i:

Lucrarea nr. 4 42

1

1

+=

TkEEv

BFV

e

f , (2)

n banda de valen; T este temperatura termodinamic a cristalului semiconductor, iar kB este constanta Boltzmann. Absorbia de radiaie electromagnetic ntr-un astfel de semiconductor are loc la tranziia unui electron de la un nivel energetic E1 din BV la un nivel E2 din BC, sub influena radiaiei; probabilitatea unei astfel de tranziii este, n virtutea principiului de excluziune al lui Pauli, proporional cu produsul fv(E1)[1fc(E2)] dintre probabiltatea de a avea un electron pe nivelul iniial E1 i probabilitatea de a avea o lips de electron pe nivelul final E2. n mod analog, emisia de radiaie electromagnetic poate avea loc, respectnd legile conservrii energiei, la o tranziie invers a electronului ntre aceleai dou nivele, sau, altfel spus, la recombinarea electronului cu golul, cu probabilitatea fc(E1)[1fv(E2)]. Condiia de obinere a regimului de emisie stimulat ntr-un semi-conductor degenerat, la interacia cu radiaia electromagnetic, este ca probabilitatea de producere a unei emisii la tranziia ntre nivelele energetice din BC i, respectiv, BV, s fie mai mare dect probabilitatea de absorbie ntre aceleai dou nivele [1]: fc(1fv) fv(1fc), (3) adic: fc fv (4) ceea ce nseamn realizarea unei inversii de populaie ntre electronii din BC i golurile din BV. Conform realaiilor (1), (2) i (4), inversia de populaie ntre nivelele considerate ale materialului semiconductor se realizeaz cnd:

Tk

EETkEE

BFV

BFC

ee

12

. (5) ntruct h = E2 E1 este expresia cuantei de energie electromagnetic emis prin aceast tranziie (unde h este constanta Planck, iar este frecvena radiaiei), atunci condiia (5) se poate scrie sub forma: EFC EFV h. (6)

2.2. Realizarea practic a inversiei de populaie n semiconductori Dioda laser O configuraie practic pentru obinerea inversiei de populaie ntr-un

mediu activ semiconductor este aceea a unei diode cu jonciune p-n n care regiunile p i n sunt obinute prin doparea pn la degenerare a aceluiai cristal semiconductor. Cvasi-nivelul Fermi al materialului de tip p se afl n BV, iar acela al materialului de tip n - n BC. n absena unei diferene de potenial electric la bornele diodei, cele dou cvasi-nivele Fermi devin coliniare, dac ar fi

Studiul parametrilor de emisie ai diodei laser

43

imaginate ntr-o diagram de reprezentare a benzilor energetice. La aplicarea unei diferene de potenial V, cele dou cvasi-nivele Fermi se separ printr-un interval energetic eV (unde e este sarcina electric elementar). n zona de sarcin spaial a jonciunii se produce o inversie de populaie ntre electroni i goluri. Acest fenomen face posibil amplificarea radiaiei prin emisie stimulat, la recobinarea radiativ dintre un electron i un gol. Indicele de refracie al majoritii materialelor semiconductoare, pentru lungimile de und ale emisiei acestora, este suficient de mare astfel nct, la interfaa semiconductor/aer, coeficientul de reflexie pentru radiaia emis s aib valori ridicate, pentru a determina formarea unei caviti Fabry-Prot la feele cristalului perpendiculare pe direcia emisiei. n multe tipuri de diode laser (DL) de mic putere, nu este necesar nici lefuirea sau depunerea de straturi reflectoare pe capetele mediului activ, ntruct clivajul cristalului dup planuri atomice determin fee cu suprafee foarte netede. Acestui tip de configuraie de cavitate rezonant laser i se aplic teoria general a rezonatorilor optici [2]. O mbuntire a performanelor DL s-a realizat prin fabricarea de medii active din material semiconductor cu dubl heterostructur (DH). Hetero-structura reprezint o jonciune ntre dou cristale semiconductoare cu compoziie chimic diferit i cu dopaje de tip diferit. DH este o structur format din trei straturi de material semiconductor, cele de la extremiti avnd formul chimic i conductivitate electric (dopaj) diferite fa de cel din mijloc, care conine regiunea cu jonciunea activ (fig. 1).

Fig. 1: Reprezentare schematic a structurii mediului activ al diodei laser cu DH de

GaAlInP/GaInP; cavitatea rezonant laser este format din feele cristalului semiconductor perpendiculare la planul jonciunii

73

- ! !"#$

- ## # ## %!&' ( ! # " "# # !)

*($

- *(# # ( #" "## *(

+(

,( - ( #. ( /(0 - 1" #

#(!*#. ( ( * ( . ( -# ##0 *(# /(

*(# ( - '. * 2 1" # #(!*

( -# /(##0 *(#&' ( (" . 3*

# - 1" ( 4

#' ,(*## - (1" # #(!* ( -###0 *(#

/( *(# 4# * 2 ( #/( " (0###0 2*# #

( (0 1" (* . # # * 2 #

30( # ( - .1" (*

3' ,( # 5# # # - ( ( 1" # #(!* ( -#

/(##0 52

!"# #(!* ( -#*(# /( ( - .

(#(#* ( #"#&678' 3#1/(# 1" # #

- ( # #(3#0( ###0 *#-(

9( #0

#( *( *(#. )3# ##( ( "# (0

##!*# # -"# ( ' "( ( (0 &3

/(( #' (1.## #(10 # ((3#(#

"# (0&'/(3#(# (0 &':&" 1* 3 (1 ( -

/( # #; *(# # ( - #"# #( *( (( *#(. /( # ## -

74

( #!.(*-.# #( 1"# # #1#

(0# (* 2 . 2 # *# #

(3# # 2 .#! (* ( (* 2

(##0#( (( ( #((*#- ( # # .

2 ## ## #. 3 # # ! *(# 4

' - ( # #( (!* $

' ) (0#(/* ( ($

' (-# (#* "#0# #($

' 1 (0#(/**#-(

,( #1 !#0 1# ( /* ( (. #

?(0( (.# "*!# /( * #1

0 # *( (( =*3# (

#*! 0 # ## !* #1 0 ###(,(

!(0 (###* *# .(" ( - # ( "# (0

# # #* # 10 ! /( # 3 (1 ( - #

*( (-#14

#'

#(#* - *#((5(# - *#(#! /((

#* (#"# (&.3.'.#(( ( ( "# (0##*

*# (*( &!-##'

( /( ) #3 -# #*. /( ! 2 2 #(!*# /(

( 3 . # # ## # (0 *( *0

(# (* . # /(5( #(* * (

* # ((*#?#

3'

#(#* @ (##*#( *(!*#(#*

"# (0##' /((#*"# (&.(..@#'.#( -#

*0 *( ( #! &!-# 3' ( * #67A # #

- # ( ( - #! # #* 3#1.

- ( /(5 #! - /( 1(# "# (0 *( *0

a) b)Figura 1

75

# # . (# /(5(#(** ( * #- (

*#?#. (* * #*## #" # 2

- ( # # =.(#(10# ((/('

(/(0 - *1(# (#( ( *( (

2 ( *( -* # ?(0( 5( ( 757 *

*

"(

.( (#0 *#?#. "*(#.(

1(# # * ( #.(*(

2

( (#0 *#?#.

"*(# ( 1(# ( ,( # ** ) #0 4

66(

. (

66

,( -( # (. ) *.(*#?# /(0 - # (

#0 #*(.2 (# (/(#?

( )#0&(0 (( '.#*(#"!(*#- (

# # # ( )#0,(*#(#-. /( -( #.

*#?#(# - # *0 # # 2/(

#! (0 *# ( (#0 # #( # #2

/( -(4(

66(

2

66

## ( (

/(5( ( 2 - /( ( # !1 . /( # # #! 0

(## ! (* ( *3(# # (- .#! /( ) 1( /( *3. #/( #( #0# ( -#" /( 1(# 2

1"/(1(#(.# (#2 (

Ei &!-# +'

(1 * (?(0( )! (0 (0#

. ( 1 * "

* ( (

Ei "# ( (( !1 #

*#?#.# !#"1 #1 #*(# . (- (0

( (1# !1 *#?#&

jp dif. .jn dif. '.##2 (0

( # * . (1# *(#

&

jp cimp. .

jn cimp. ' # =3&( (#*'.#" *(;#

3##?

76

( !1 2 . # # *(# # . #! /( (

?(0( "*#" # (# ( ( (0# ( (0 (

(?(0( (( ### # #0#4

1eII TV

U

0 &'

(

%AB (* 2 #

& -( # (.#*( -( #

'*( ( 1#( 2 .

E E Etotal i ex *2 #1 ( !1 2

/( # #2 * 2 ( *(# &?

' . (# #

( ( ?(0( j j jcamp dif # ? 2 ? # "# ## . 1?# "#*.#/( ((" (

,(( # ( ?(0( # ( /(5( (- (. #

# 1 (# #%!&' (* 2

&!-# 9.%7' 3 " # (( (" *#. (

*( # # #2

"## . (*

&

'

# *(# #

?(0( 5( "

# = (5

- /( ) #(

*( (# " !

## /*

( (4 (

-( # (.#- -( # # #! #(1"

!#0#2(#( -#" !#0#(. ! (0 (0#/( 1(

30( #! # ( /(5?(0( #. (#

## (* 2 & ( #1 1# (

' 2 " (

0(# !) ##0 ( ( ?(0( #1/( ?(0( #.

## # (5 (( . #0#&'/(#3 (0#*(. #

#0#

ISC

VCD

U

I

Figura 3

=012>1

77

LVU

0 I1eII T

&+'

(# # #0 3 "#&%7'

%5

.# (( #

=&%7'

%

(&5

B

'

#1 !(0( /(##( ### ( !(0( /(

-* . # ( !(0(# # /( ##( . -*

C1" ) * (#2*

1" ) * (#. 1 (# /(

!-#C !*#(4

- (( "##3. "1

( (" A & ( ## # #/ #

(( /2# (" '.

- *( 10 !#0

?(0( # !*!#. (#*!#

!)*(# #?(- ?(0( $

- ("* 2(*#* *

- #!"#

# 1### (! *(4

- # #1 . (%7.(*!# # ((

#* (# 2 #(#0"* 2#* * $

- #* ( #1# *(2*!/(10#!#0 ?(0( # #1

# ## (! *($

- * #1 #3 # ) * (# 2 # #1 -#!

## $

- (-#! *(

(! # !)*(

A

V

K

E

D

Figura 4

78

&'&'

&%7'

&'

&'

&'

+

9

C

D

E

F

G

H

7

+