Laserové diody – Část 3. Typy LD

Mgr. Michal Lukáš,
Infineon Technologies Trutnov

V minulých dvou částech jsme se seznámili s principem fungování laserových diod a také s nejdůležitějšími parametry, které popisují jejich vlastnosti. Nyní se budeme věnovat tomu, z čeho se laserová dioda jako součástka skládá a s jakými druhy laserových čipů se můžeme v praxi setkat.

Obr. 1. Klasické pouzdro laserové diody

3.1 Pouzdření laserových diod
Pouzdro laserové diody se většinou skládá z vlastního laserového čipu, monitorovací PIN diody, základní desky, na které jsou tyto části přilepeny, vývodů (nožiček), spojů a krytu s okénkem (obr. 1). Okénko bývá u dražších LD pokryto antireflexní vrstvou nebo může být nakloněno pro omezení zpětného odrazu, jenž může negativně ovlivnit vlastnosti LD. Mnohé z pouzder LD určených pro telekomunikace obsahují odrazné zrcátko a čočku, která fokusuje vycházející záření (obr. 2). To se výhodně využívá při zavádění záření do optických vláken. Jde o tzv. konektorované (Receptacle – LD opatřená adaptérem pro vložení konektoru optického vlákna) nebo laserové diody s optickým vláknem (Pigtail – optické vlákno je přímo napojeno na pouzdro LD). Celá dioda je hermeticky zapouzdřena.

U laserových diod se využívá vlastnost, že světlo může vycházet z laserového čipu dopředu i dozadu, je tedy možné zadní světlo použít k monitorování optického výkonu. Poměr mezi zářením dopadajícím na monitorovací diodu a zářením vystupujícím z LD se pohybuje kolem 10 a 90 %. Za monitorovací diodu bývá většinou zvolena PIN fotodioda, která je umístěna v pouzdru v blízkosti laserového čipu. Tato dioda má alespoň jeden vývod samostatný a lze ji zapojit ve fotorezistivním (závěrném) či ve fotovoltaickém režimu (fotoelektrický článek). Procházející proud je přímo úměrný záření laseru.

Obr. 2. Pouzdro laserové diody se zrcátkem a čočkou

3.2 Typy polovodičových laserů
Podle vnitřní struktury se polovodičové lasery dělí na:

• homostrukturní lasery, Homostructure Laser – HoL,
• heterostrukturní lasery, Heterostructure Laser – HL,
• lasery s rozloženou zpětnou vazbou, Distributed Feed Back Laser – DBFL,
• lasery s kvantovými jámami, Quantum Wells Laser – QWL,

Podle konstrukce – místa vyzařování se polovodičové lasery dělí na:

• hranově vyzařující lasery, Edge Emitting Laser – EEL,
• plošně vyzařující lasery, Vertical Cavity Surface Emitting Laser – VCSEL.

Homostrukturní lasery

Na tomto typu laseru PL bylo poprvé dosaženo v roce 1962 emise koherentního záření (GaAs). Uvedený laser je v podstatě tvořen přechodem PN (obr. 3). Neexistuje zde výrazná skoková změna indexu lomu, která by podmiňovala optické soustředění, ani vysoká potenciálová bariéra, zajišťující soustředění nosičů náboje. Šířka rekombinační oblasti (aktivní vrstvy) je v podstatě určena difuzní délkou menšinových nosičů (pro silně dopovaný GaAs 1 až 3 mm). Záření se soustřeďuje vlivem gradientu indexu lomu a vlivem rozdílů koncentrace nosičů náboje.

Obr. 3. Homostrukturní laser tvořený přechodem pn

Díky velké šířce aktivní oblasti jsou třeba velké prahové hustoty proudu. Při generaci záření dochází vlivem úniku záření do okolních vrstev polovodiče ke ztrátám a z toho pramení malá účinnost laseru. Při jeho provozu je nutné dostatečné chlazení. Proto tento typ polovodičových laserů nejsou velké možnosti využití v praxi.

Heterostrukturní lasery

V těchto typech laserů s heteropřechody je vymezení vlnovodu dáno skokovou změnou indexu lomu v oblasti heteropřechodu, která je funkcí rozdílu šířky zakázaného pásu sousedních vrstev heterostruktury (krystalická vrstvová struktura obsahující alespoň jednu epitaxní vrstvu odlišného chemického složení, než je složení podložky; u PL je důležité přizpůsobení mřížkových parametrů). Současně s účinným vedením světla zabezpečuje heterostruktura i podmínky k účinnému soustředění menšinových nosičů. Působením heteropřechodů se soustřeďuje záření a injektované nosiče do zvolených oblastí, přičemž oblast soustředění záření (optický vlnovod) může být totožná s oblastí soustředění nosičů (aktivní oblastí) nebo se od ní může lišit. Podle počtu heteropřechodů se HL dělí na lasery s jednou heterostrukturou (SingleHL, obr. 4) a s dvojitou heterostrukturou (DoubleHL, obr. 5).

Obr. 4. Laser s jednou heterostrukturou

V jednoduché heterostruktuře SHL vytváří heteropřechod jednu ze stěn vlnovodu a současně i potenciálovou bariéru, soustřeďující nosiče uvnitř aktivní vrstvy typu P. Skoková změna indexu lomu je zde mnohem větší než u homogenního přechodu. Přechodem PN a heteropřechodem je vymezen asymetrický vlnovod. Hodnoty proudových hustot klesají asi na pětinu hodnoty dosahované u homostrukturních laserů.

Aktivní vrstva laserů s dvojitou heterostrukturou DHL je z obou stran obklopena vrstvami s větší šířkou zakázaného pásu, nosiče náboje i optické záření jsou soustřeďovány do aktivní oblasti z obou stran, tedy i s větší účinností. Oblast rekombinace je u DHL přesně stanovena. Nosiče náboje se zde „neroztékají“ do okolních vrstev. Nosiče náboje se v aktivní – vrstvě vzhledem k jejímu malému průřezu (až 100 nm) – nahromadí v tak velké míře, že režimu laserování se dosahuje již při prahových proudech několika desítek miliampérů. Účinnost je velmi vysoká, kolem 75 %.

Obr. 5. Laser s dvojitou heterostrukturou

Obě uvedené kategorie HL mají velký počet konstrukčních modifikací, zlepšujících některé z jejich vlastností – lasery s postraním omezením: V HL jsou nosiče náboje i záření soustředěny ve směru kolmém k rovině přechodu PN. Tento typ vymezuje aktivní oblast i v rovině přechodu PN. K ohraničení se používá tzv. proužková geometrie. Ta vede ke zmenšení plochy aktivní vrstvy a tím i hodnot prahových proudů. Při šířce proužku menší než 15 µm může laser pracovat v základním příčném módu TEM00. Tato technologie umožňuje účinněji navázat záření do optického vlákna. Prahové proudy se pohybují v rozmezí 10 až 250 mA. Výstupní optický výkon je v intervalu 5 až 25 mW. Používaná konstrukční provedení: laser s kontaktním proužkem, s difuzním proužkem, s prouzkem vymezeným přechody P+N, laser připravený na profilované podložce nebo s vnořenou heterostrukturou.

Lasery s rozloženou zpětnou vazbou

Rezonátor tohoto typu laseru je realizován bez zrcadel pomocí prostorových periodických struktur (difrakčních mřížek). Funkce je založena na periodické změně indexu lomu ve směru šíření. Zpětná vazba vzniká trvalým navázáním šířící se vlny do opačného směru Braggovým rozptylem. Mřížka se vytváří leptáním přímo na povrchu aktivní vrstvy. Tyto lasery jsou označovány DFB (Distributed Feed Back), obr. 6.

Do této kategorie patří i lasery s rozloženým Braggovým zrcadlem, označované DBR (Distributed Bragg Reflector). U tohoto typu se generace optického záření a zpětná vazba (opět pomocí optické mřížky) uskutečňují v samostatných částech struktury. Používají se dva typy konstrukce, s jedním nebo se dvěma Braggovými zrcadly. V běžné praxi se lze častěji setkat s typem se dvěma Braggovými zrcadly na koncích vlnovodu. Obě varianty jsou ukázány na obr. 7 a obr. 8.

Obr. 6. Laser DFB
Obr. 7. Laser DBR jedním Braggovým zrcadlem
Obr. 8. Laser DBR se dvěma Braggovými zrcadly

Lasery DFB jsou vhodné zdroje pro systémy integrované optiky pro pásmo 1 300 až 1 550 nm. Je tomu tak proto, že nahrazením Fabryho-Perotova rezonátoru optickou mřížkou umožňují jednomódový provoz (pozn.: provoz v jednom podélném módu, perioda mřížky určuje vlnovou délku záření) při kvalitním napojení na optický vlnovod. Další výhodou je jejich slučitelnost s planárními vlnovody připravenými na jediné podložce, tedy jejich snadná výroba. DFB lasery dosahují velmi úzké spektrální šířky (menší než 1 nm) a poskytují modulační šířku pásma v řádu jednotek až desítek gigahertzů. Hlavní uplatnění tento typ laserových diod nachází především v komunikacích optickými vlákny pro vlnové délky 1 300 a 1 550 nm.

Lasery s kvantovými jámami

Tento typ, označovaný Quantum Wells Laser – QWL má dvojitou heterostrukturu. Její aktivní vrstva (označovaná jako kvantová jáma), lišící se složením, je tak tenká, že se při generaci optického záření uplatňují kvantové jevy podmíněné její tloušťkou. Zde představuje DH pravoúhlou potenciálovou jámu ve vodivostním i valenčním pásu polovodiče. Jestliže jsou rozměry vrstvy srovnatelné s de Broglieho vlnovou délkou (v tepelné rovnováze elektronů) může elektron nabývat jen určitých energií, které odpovídají vlnovým délkám, jež jsou násobkem těchto miniaturních rozměrů aktivní vrstvy.

Obr. 9. Dělení LD podle místa vyzařování

Epitaxní technologie umožňují realizovat lasery s tloušťkami kvantové jámy menšími než 20 nm. Současnými technologiemi lze uskutečňovat vrstvy tvořené pouze jedinou atomovou rovinou. Takto je možné získat PL s velmi úzkou spektrální charakteristikou. Teplotní závislost prahového proudu I_P přitom je mírnější než u předchozích typů PL. Běžná tloušťka aktivní vrstvy je 10 nm. Prahové proudy pro SQWL jsou přibližně v rozmezí od desetin miliampérů po několik málo desítek miliampérů. Účinnost těchto typů laserů může překročit až 80 %. Výstupní optický výkon běžně dosahuje desítek miliwattů v kontinuálním režimu (MQWL).

Pozn.: V souvislosti s různými typy LD nelze opomenout tzv. POLE LD (plošné uspořádání několika desítek až stovek LD), které mají velký význam především v oblasti velkých optických výkonů. Běžně se nyní vyrábějí pole LD (arrays, bars) s celkovými výkony až stovek wattů, přičemž byla prezentována pole LD o výkonu i několik málo kilowattů. Využívají se např. pro optické čerpání pevnolátkových laserů.

Hranově vyzařující lasery

Tento typ konstrukce polovodičových laserů – laserových diod (Edge Emiting Lasers – EEL) vysílá záření z hrany přechodu. Ve výrobě i použití laserových diod zatím převládá. Principiální schéma z hlediska vyzařování je zřejmé z obr. 9 (popř. obr. 1). Stále více se však uplatňují plošně vyzařující typy konstrukce LD (VCSEL).

Obr. 10. Plošně vyzařující LD VCSEL

Plošně vyzařující lasery

VCSEL (Vertical Cavity Surface Emiting Lasers) emitují záření z plochy součástky rovnoběžné s rovinou přechodu. Záření emitované z plochy je pohlceno substrátem a ztraceno nebo, což je výhodnější, se odráží od kovového kontaktu (tj. možné při použití transparentního substrátu). Tento typ konstrukce bývá účinnější než hranově emitující LD (EEL). Při zavádění světelného záření z VCSEL do optického vlákna bez dalších optických komponent se dosahuje účinnosti až 80 %.

Technologie hranově vyzařujících laserových diod EEL je velmi dobře zvládnuta a v praxi se běžně používá. Plošně vyzařující laserové diody VCSEL jsou z hlediska svých výhodných vlastností velmi zajímavé pro vláknové komunikační systémy v oblasti vlnových délek 1 300 a 1 550 nm. Zde se používají pro velké vzdálenosti jednomódová vlákna. V současné době se vývoj soustřeďuje právě na tento typ konstrukční technologie laserových diod. Typická struktura plošně vyzařující laserové diody VCSEL je na obr. 10.

Obsah další části: Laserové diody – část 4. Použití LD

Literatura:
[1] MIŠEK, J.: Polovodičové zdroje optického záření. Praha, 1988.
[2] SALEH, B. – TEICH, M.: Základy fotoniky 1–4. Matfyzpress, Praha, 1994,
[3] STRUMBAN, E. J.: Lasery a optoelektronika. Praha, 1989.
[4] MAŤÁTKO, J.: Elektronika – lasery : kvantové generátory světla. Idea servis, Praha, 1998.
[5] HÁBOVČÍK, P.: Lasery a fotodetektory. Vysokošk. učeb. pre elektrotechn. fak. vys. šk., Bratislava, 1990.