Măsurarea Parametrilor Fasciculelor Fotonice Emise de Lasere Si Leduri

Universitatea “Politehnica” din București

Facultatea de Electronică, Telecomunicații și Tehnologia Informației

Măsurarea parametrilor fasciculelor fotonice emise de lasere și LEDuri

Proiect de diplomă

prezentat ca cerință parțială pentru obținerea titlului de

Inginer în domeniul Electronică și Telecomunicații

programul de studii de licență Microelectronică, Optoelectronică și Nanotehnologii

Conducător științific Absolvent

Ș.l. Andrei Drăgulinescu Mihai-Alexandru Dogiță

2014

Listă de figuri

Fig 1.1 Semiconductori de interes pentru LED-uri, inclusiv luminozitatea relativă funcțională a ochiului uman 18

Fig 1.2 Diagrama E-k afisând recombinarea radiativă prin capcana izoelectronică în zona de bandă interzisă indirectă a materialului 20

Fig 1.3 (a) Eficiența cuantica a lui GaAsP în funcție de compoziția aliajului, cu sau fără impuritatea izoelectronica azot. (b) lungimea de undă a emisiei în funcție de compoziție 20

Fig 1.4 Direcțiile optice la interfața semiconductor-ambient. A: Incidenta normală are un efect minor. B: Unghiurile de refracție(>) din legea lui Snell. C: Raza din afara conului de refracție (<) are o reflexie totală. 22

Fig 1.5 Structuri LED arătând direcția emisiei luminii în cazul emiterii prin suprafață (a) și în cazul emisiei prin margini (b) 24

Fig 1.6 Progresul eficienței luminoase a LED-urilor odată cu timpul. 25

Fig 2.1 Structura de bază a unei joncțiuni laser pn 27

Fig 2.2 Puterea optică a luminii de la ieșirea laserului ca funcție de curentul de intrare. 28

Fig. 2.3 Distribuția de energie spațială a luminii în dioda laser: a real; b ideal 29

Fig 2.4 Diagrama fluxului de putere a diodei laser 29

Fig 2.5 Structura heterojoncțiune laser simplă 31

Fig 2.6 Dioda laser cu dubla heterojoncțiune(DH) 32

Fig 2.7 Model pentru campul de confinare intr-o dubla heterostructura laser 33

Fig 2.8 Factorul de confinare in modul fundamental intr-o structura simetrica in 3 straturi -GaAs 35

Fig 2.9 Diagrama benzii de energie a unei diode laser dubla heterojonctiune -n-p-. 36

Fig 2.10 Curba de atenuare spectrala tipica pentru fibrele optice din sticla multimod comerciale 37

Fig 2.11 Lungimea de unda de emisie de varf a laserului ca functie de concentratia de aluminiu in regiunea activa. 38

Fig 2.12 Atenuarea intr-o fibra optica cu salt de indice monomod continand borosilicat cladit in jurul unui nucleu de fosfosilicat. 39

Fig 2.13 Caracteristica putere de iesire – curent a unui laser cu geometrie de banda cu instabilitate a modului de propagare 41

Fig 2.14 O structura laser/ghid de unda monolistica in GaAlAs 42

Fig 2.15 Un laser GaInAsP integrat monolitic si fotodioda monitor 42

Fig 2.16 Diode laser cu fatete stop-scindare 43

Fig 2.17 Laser TJS 44

Fig 2.18 O structura laser/ghid de unda monolitica in CdSeS 44

Fig 3.1 Montajul pentru masurarea caracteristicilor Id (Vd) si PLED(Id) 47

Fig 3.2 Curba Id (Vd) 48

Fig 3.3 Curba PLED(Id) 48

Fig 3.4 Schema montajului experimental IDL (VDL) și PDL (IDL) 49

Fig 3.5 Caracteristica IDL (VDL) 50

Fig 3.6 Caracteristica PDL (IDL) 50

Fig 3.7 Montajul experimental pentru masurarea divergentei fasciculului laser 51

Fig 3.8 Graficul D*(L) pentru laserul Pointer 52

Fig 3.9 Graficul D*(L) pentru laserul DPSS 53

Fig 3.10 Graficul D*(L) pentru laserul HeNe 53

Listă de tabele

Tabel 1.1 – Valori ale eficacitaților LED-urilor(lungimi de undă, putere, eficiență, eficacitate) 16

Tabelul 3.1 Caracteristicile LED-ului Id (Vd) si PLED(Id) 48

Tabelul 3.2 Caracteristicile IDL (VDL) și PDL (IDL) 49

Tabelul 3.3 Divergenta fasciculului laser pentru laserul Pointer(d=2.5 mm) 51

Tabelul 3.4 Divergenta fasciculului laser pentru laserul DPSS(d=3 mm) 52

Tabelul 3.5 Divergenta fasciculuui laser pentru laserul HeNe(d=2.2 mm) 52

Listă de acronime

LED – Diodă emitoare de lumină

LCD – Afișaj cu cristale lichide

CD – Disc compact

DVD – Disc video digital sau disc versatil digital

LASER – Amplificarea luminii prin stimularea emisiei radiatiei

SH – Heterojoncțiune simplă

DH – Dubla heterojoncțiune

CW – Undă continuă

MOCVD – Depozitare chimică metalo-organică prin vapori

MBE – Epitaxie cu fascicul molecular

LPE – Epitaxie cu faza lichida

TJS – Bandă cu joncțiune transversală

DPSS – Diodă în stare solidă pompată

Introducere

LEDurile sunt diode emțătoare de lumină. Laserii sunt diode care amplifică lumina prin emisie stimulată. Sunt sisteme de iluminat moderne, cu o varietate de aplicații practice. LEDurile se bazează pe fenomenul electroluminiscenței. Acest fenomen a fost descoperit in 1907 de un savant englez, H.J. Round folosind cristale de carbură de siliciu. Primul LED a fost creat de un rus, Oleg Losev in 1927. Bazele teoretice ale laserilor au fost stabilite de către Albert Einstein in 1917 într-o lucrare a sa, el bazându-se pe legea de radiație a lui Max Planck. El a re-derivat acea lege pe baza unor coeficienți de absorbție, de emisie spontană și de emisie stimulată, numiți ulterior coeficienții Einstein.

Aplicațiile lor sunt variate. LEDurile sunt folosite în aplicații vizuale precum lanterne, iluminat stradal, semnale de trafic (Roșu, galben, verde) . LEDurile sunt o aplicație bună pentru farurile mașinilor sau pentru stopurile acestora. O altă aplicație importantă este în minerit, datorită luminii lor puternice și a duratei de viață foarte mari. LEDurile moderne au o durată de viață foarte mare de aproape 100 de mii de ore. De asemenea sunt preferate în fața sistemelor clasice de iluminat și datorită consumului redus de energie și de curent, fiind o afacere ieftină. Cea mai mare utilizare în ziua de azi o au in aplicațiile de display ale dispozitivelor moderne (Monitoare, tablete, smartphone-uri). Displayurile de tip LED sunt cele mai bune de pe piață, depășind de mult timp ca performanțe pe cele de tip LCD(cu cristale lichide).

Laserii au o aplicație foarte importantă în telecomunicații, în special în sistemele de telecomunicații prin fibră optică la distanțe foarte mari. De asemenea laserii se folosesc în scrierea pe CD-uri sau DVD-uri, acestea fiind dispozitive optice de stocare a datelor. Aplicații importante ale laserilor sunt și în știință. În tratamente de caldură, în fuziune nucleară, în spectroscopie, în aplicații microscopice se folosesc laseri. Aplicații militare ale laserilor sunt de asemenea, importante, ele putând fi folosite direct ca armă energetică, în dezorientarea inamicilor sau pentru a ținti anumite obiective. În medicină laserii se folosesc în operații ușoare de a elimina tatuajele permanente, în operații la ochi, în operații ale țesuturilor, în medicina dentară pentru a elimina cariile.

In prezenta lucrare se vor discuta aspecte teoretice ale LEDurilor și laserelor, tehnologii de fabricație, materiale semiconductoare de bază. De asemenea se vor analiza experimental performanțele obținute în urma unor masurători de laborator.[5]

Capitolul 1

LED

1.1. Informații generale

Un LED (din engleză light-emitting diode, însemnând diodă emițătoare de lumină) este o diodă semiconductoare ce emite lumină la polarizarea directă a joncțiunii p-n. Efectul este o formă de electroluminescență.

Un LED este o sursă de lumină mică, de cele mai multe ori însoțită de un circuit electric ce permite modularea formei radiației luminoase. De cele mai multe ori acestea sunt utilizate ca indicatori în cadrul dispozitivelor electronice, dar din ce în ce mai mult au început să fie utilizate în aplicații de putere ca surse de iluminare. Culoarea luminii emise depinde de compoziția și de starea materialului semiconductor folosit, și poate fi în spectrul infraroșu. vizibil sau ultraviolet. Pe lângă iluminare, LED-urile sunt folosite din ce în ce mai des într-o serie mare de dispozitive electronice.

In anul 2008, cel mai puternic LED comercializat aparținea firmei sud-coreene Seoul Semiconductor. Un singur LED din seria Z-Power P7 atinge performanța de 900 Lumen la 10 Watt, deci o eficiența de 90 lm/W, echivalând cu un bec obișnuit de 75W.

La 12 mai 2010, firma Nexxus Lighting a prezentat cea mai puternica lampă LED de uz casnic disponibilă pe piață, cu o eficiență de 50 Lumen/Watt. Luminozitatea lămpii Array LED PAR38 este comparabilă cu cea a unui bec obișnuit/standard de 75 Watt atingând 985 Lumen la un consum de numai 18-20 Watt, fiind în același timp și variabilă.

La 12 aprilie 2010, firma Toshiba a prezentat prototipul celei mai puternice lămpi LED de uz casnic și industrial, cu o eficiență de 120 Lumen/Watt. Luminozitatea lămpii led este comparabilă cu cea a unui bec obișnuit/standard de 100 Watt, atingând 1690 Lumen.

La 18 decembrie 2012, firma Cree a prezentat Lampa LED XLamp MK-R cu o eficiență de 200 Lumen/Watt si cu o dimensiune de 7 x 7 mm. Luminozitatea lămpii led este comparabilă cu cea a unui bec incandescent de 120 Watt, atingând 1769 Lumen la 15 W și 85°C.

La 5 martie 2013, firma Cree a prezentat Lampa LED de uz casnic cu o eficiență de 84 Lumen/Watt, consum 9 – 9,5 Watt, preț sub 10$ în varianta de 40W și fasung standard E27. Luminozitatea lămpii led este comparabilă cu cea a unui bec incandescent de 60 Watt, atingând până la 800 Lumen, fiind și variabilă ( în combinație cu un variator de tensiune).

Electroluminescența a fost descoperită în anul 1907 de către H. J. Round, folosind un cristal de carbură de siliciu și un detector primitiv dintr-un metal semiconductor. Rusul Oleg Vladimirovich Losev a fost primul care a creat primul LED prin anii 1920. Cercetarea sa a făcut înconjurul lumii, însă nu s-a găsit nici o întrebuințare a acesteia timp de câteva decenii. În anul 1961, Bob Biar și Gary Pittman, au descoperit că aplicând curent unui aliaj din galiu si arsen, acesta emite o radiație infraroșie. Primul LED cu emisie în spectrul vizibil (roșu) a fost realizat în anul 1962 de către Nick Holonyak, când lucra la General Electric Company . Un fost student al acestuia, M. George Craford, a inventat primul LED de culoare galbenă și a îmbunătățit factorul de iluminare al Led-urilor roșu și roșu -portocaliu de circa zece ori în anul 1972. Până în 1968 LED-urile vizibile și cele infraroșii costau foarte mult, aproape 200 de dolari și nu puteau fi folosite doar la aplicații minore. Prima corporație care a trecut la fabricarea LED-urilor pe scară largă a fost Monsato Corporation, realizând în 1968 LED-uri pentru indicare. Acestea au fost preluat de către compania Hewlett Packard și integrate în primele calculatoare alfanumerice. Primele LED-uri comercializate pe scară largă au fost folosite pentru înlocuirea indicatoarelor incandescente, întâi la echipamentele scumpe ca cele de laborator și de teste, apoi, mai târziu, la televizoare, radiouri, telefoane, calculatoare, chiar și ceasuri. Aceste LED-uri roșii nu puteau fi folosite decât pentru indicare deoarece emisia de lumină nu era suficientă pentru iluminarea unei suprafețe. În decursul anilor s-au descoperit și alte culori ale LED-urilor, cu capacități mai mari de iluminare. Primul LED cu capacitate mare de iluminare a fost realizat de cercetătorul Shuji Nakamura în anul 1993 dintr-un aliaj de InGaN. Acesta a fost premiat în anul 2006 cu Milennium Technology Prize pentru invenția sa.[1]

1.2. Tehnologii ale LED-urilor

Structura de bază a unui LED este joncțiunea p-n. Purtători minoritari sunt injectați prin ambele părți ale joncțiunii. În vecinătatea joncțiunii, există un exces de purtători peste valorile de echilibru, și recombinarea va apărea. Totuși, dacă este folosită heterojoncțiunea, eficiența poate fi mult îmbunătățită. Materialul central, unde lumina este produsă este legat de straturi care au potențiale energetice înalte. Dacă heterojoncțiunea este de tip L, sunt injectați în exces purtători de sarcină de ambele tipuri și confinați în același spațiu. Astfel, se mărește numărul purtătorilor. Dacă stratul central activ este redus până la o rază de 10 nm sau chiar mai puțin, se formează o groapă de potențial. În acest caz, densitățile purtătorilor bidimensionali devin relevante și vom fi nevoiți să le calculăm după legile mecanicii cuantice. Valorile efective ale densităților purtătorilor tridimensionali sunt date de valorile bidimensionale raportate la lărgimea groapei de potențial. Acest fenomen împinge densitățile purtătorilor de sarcină la nivele foarte mari și poate rezulta în eficiențe ridicate. Un alt avantaj al unui strat activ subțire ar putea fi creșterea epitaxială, din moment ce un asemenea strat va putea fi acomodat la nivele foarte ridicate ale coeficientului de recombinare. O altă proprietate a groapei de potențial este aceea că nivelele de cuantizare ar putea, în teorie, sa extindă nivelele de radiație energetică(de a reduce lungimea de undă) peste limite, dar această proprietate este utilizată rareori. [2]

1.3. Eficiența și parametrii operaționali

Prin fabrică, LED-urile sunt proiectate să funcționeze în intervalul de putere 30-60 miliwați. În anul 1999, Philips Lumileds au introdus LED-uri care pot funcționa continuu la 1 mw. Aceste LED-uri folosesc semiconductori cu o matriță mai mare pentru a face față puterii mari de intrare. De asemenea, matrițele semiconductorilor au fost montate pe profile metalice pentru a permite răcirea mai rapidă a matriței.

Unul din avantajele cheie ale LED-urilor este eficacitatea luminoasă. LED-urile albe se potrivesc cu sistemele incandescente de lumină și le preiau din eficacitate. În 2002, Lumileds au facut LED-uri cu putere de 5w care dezvoltă o eficacitate luminoasă de 18-22 lumen/watt(lm/W). Ca și comparație, un bec incandescent de 60-100 W emite în jur de 15 lm/W, iar sursele standard fluorescente emit in jur de 100 lm/W.

Din 2012, cataloagele Lumiled indică urmatoarele eficacitați pentru fiecare culoare.

Tabel 1.1 – Valori ale eficacitaților LED-urilor(lungimi de undă, putere, eficiență, eficacitate)

În septembrie 2003, un nou tip de LED albastru descoperit de compania Cree Inc. generează o putere de 24 mW la un current de 20 mA. Astfel, se produc pachete de lumină albă care oferă 65 lm/W la 20 mA, devenind cele mai luminoase LED-uri albe comerciale disponibile la acea vreme, și fiind de patru ori mai eficiente decat lămpile standard. În 2006, ei au demonstrat un prototip cu un record de eficacitate al luminii albe de 131 lm/W la 20 mA. Nichia Corporation au dezvoltat un LED alb cu o eficacitate luminoasă de 150 lm/W la un curent continuu de 20 mA. Cree's XLamp XM-L LED, disponibil commercial din 2011 produce 100 lm/W la o putere de 10 W si 160 lm/W la o putere de intrare de 2 W. In 2012, Cree au lansat un LED alb de 254 lm/W.

În practică, este în general nevoie de LED-uri puternice, de 1 W iar valorile curenților de operare pentru asemenea dispozitive incep de la 350 mA.

De menționat faptul că aceste eficiențe sunt calculate în laborator la temperaturi joase. Lumina lucrează la temperaturi mai ridicate cu pierderi mai mari, deci eficiențele practice sunt mai scăzute. Rezultatele testelor Departamentului de Energie al Statelor Unite asupra unor LED-uri comerciale menite să înlocuiască lămpile incandescente au indicat că eficacitatea medie a fost de 46 lm/W(valori intre 17 si 79 lm/W).

Cree au menționat la o conferință de presă în februarie 2010 despre un prototip LED de laborator de o eficacitate 208 lm/W la temperatura camerei. În decembrie 2012 au lansat pe piață un LED de 200 lm/W la temperatura camerei.

1.3.1 Scăderea eficienței

Scăderea eficienței se referă la o reducere a eficacității luminoase până la 20% atunci când curentul electric trece de pragul zecilor de mA. În loc să crească odată cu creșterea nivelelor curentului electric, luminanța crește însă combinând mai multe LED-uri într-o singură capsulă. Rezolvând problema scaderei eficienței, ar însemna reducerea capacităților capsulelor, ceea ce ar presupune costuri mai reduse.

În plus, pe lângă eficiența scăzută, operând LED-urile la curenți foarte mari presupune nivele de căldură mai ridicate, ceea ce ar putea compromite durata de viață a LED-urilor. Crescând căldura la curenți ridicați, a fost crescut și curentul de operare la 350 mA, ceea ce este un bun compromis pentru eficiența și longevitatea LED-urilor.

Despre acest efect, prima oară semnalat in 1999, s-a crezut ca ar avea legatură cu ridicarea temperaturilor. Însă, oamenii de stiință au demonstrat chiar opusul, deși durata de viață a unui LED scade, pierderea eficienței este mai mică la temperaturi mai ridicate. Mecanismul care cauzează pierderea eficienței, a fost descoperit în 2007 ca fiind recombinare Auger, ceea ce a generat reacții mixte. În 2013, anumite studii au confirmat acest lucru.

1.3.2 Posibile soluții

Cercetătorii de la Laboratorul Naval de Cercetare American, au găsit o cale de a reduce pierderea eficienței. Ei au descoperit că pierderea provine de la non-radioactiva recombinare Auger a purtătorilor injectați. Ei au creat acele groape de potențial cu o confinare usoară pentru a reduce procesul de recombinare non-radiactivă.

Cercetatorii de la Centrul Național Universitar din Taiwan și Epistar Corp au dezvoltat o cale de a reduce scăderea eficienței folosind substrate ceramice din nitrat de aluminiu care sunt mai bune conductoare termice decât safirul. Conductivitatea termică mai ridicată, reduce efectele de încingere.

1.4. Durata de viață

Dispozitivele solide precum LED-urile se uzează mai puțin, dacă sunt utilizate la curenți și temperaturi mici. Multe dispozitive LED fabricate in anii 70 sau 80 încă funcționau la începuturile secolului 21. Durata de viață tipică variază între 25 de mii si 100 de mii de ore depinzând foarte mult de curent și de caldură.

Cele mai comune simptome ale defecțiunilor LED-urilor (chiar și a diodelor LASER) este scăderea treptată a luminii de la ieșire și pierderea eficienței. Întreruperi subite, deși sunt rare, pot avea loc în cazul defectării în timp. LED-urile roșii din trecut erau notabile pentru durata lor mică de viață. Odată cu dezvoltarea LED-urilor de putere mare, dispozitivele sunt expuse joncțiunilor mari de temperatură și densităților mari de curent față de dispozitivele tradiționale. Acestea cauzează stresarea materialului, și pot cauza degradarea luminii de la ieșire. Pentru cuantizarea clasificărilor, au fost sugerați termenii L70 sau L50, ceea ce reprezintă timpii necesari LED-ului de a atinge 70, respectiv 50% din puterea luminii de ieșire.

Performanțele LED-ului sunt dependente de temperatură. Cei mai mulți fabricanți au publicat performanțe ale LED-urilor la valoarea de 25 de grade Celsius. LED-urile folosite in aer liber, precum cele de la semafoare auto sau din pavaje sunt cele mai expuse degradării datorită diferențelor mari de temperatură.

Lumina de la ieșirea LED-urilor crește progresiv, de la temperaturi scăzute, ajungând la o valoare aproape de maxim la 30 de grade Celsius. Totuși, tehnologiile LED sunt un bun înlocuitor folosiți, de exemplu, în luminile lăzilor frigorifice din supermarketuri, pentru că rezistă mai mult decât alte tehnologii. Deoarece LED-urile emit mai puțină căldură decât becurile incandescente, ele sunt mai eficiente decât acestea din punct de vedere energetic pentru a putea fi folosite în frigidere sau congelatoare. Totuși, gheața se depune pe ele în climate răcoroase. În mod similar, această lipsă a pierderilor a fost observată uneori cauzând probleme semnificative la semafoarele stradale și la semnalizările pistelor de la aeroporturi în zone răcoroase. Ca răspuns la această problemă, unele sisteme LED au fost proiectate cu un circuit de încălzire la costul reducerii eficienței globale a întregului sistem. [3]

1.5. Materiale de fabricație

Fig 1.1 Semiconductori de interes pentru LED-uri, inclusiv luminozitatea relativă funcțională a ochiului uman

Cei mai importanți semiconductori folosiți în fabricarea aplicațiilor LED sunt listați în figura 1.1, unde este adaugată ca referință luminozitatea relativă a ochiului uman. Este acoperit spectrul vizibil și se ajunge chiar și în regiunea de infraroșu. Pentru aplicații de afișare, deoarece ochiul uman este sensibil la o bandă interzisă de minimum 1.8 eV (o lungime de undă de aproximativ 700 nm), semiconductorii de interes trebuie să aibă o bandă interzisă mai mare decât aceasta. În general, acești semiconductori au benzile interzise directe, cu excepția compoziției aliajului GaAsP care va fi discutată în detaliu ulterior. Banda interzisă directă a semiconductorilor este importantă în mod direct pentru dispozitivele electroluminiscente, deoarece recombinarea radiativă este o tranziție de ordinul I și eficiența cuantică este mult mai mare decât la semiconductorii cu bandă interzisă indirectă unde apare implicarea fononilor.

AlGaAs. Sistemele AlGaAs acoperă o gamă largă de lungimi de undă (de la roșu la infraroșu). Dupa GaAs, este cel mai vechi material folosit pentru LED-uri de eficiență ridicată în anii 60’. La compoziții ridicate de Aluminiu(peste 45%), banda interzisă devine indirectă, deci lungimea de undă se limitează la 650 nm. Avantajele acestui sistem este capacitatea de creștere excelentă a heterojoncțiunii încât se fabrică LED-uri cu dublă heterojoncțiune. GaAs este cel mai avansat material semiconductor.

InAlGaP. Această tehnologie generează o energie mai mare decat la AlGaAs și acoperă o gamă mare de lungimi de undă(roșu, oranj, galben și verde). Banda interzisă directă limitează tehnologia pana la 560 nm.

InGaN. Această tehnologie are avantajul de a avea o creștere epitaxială mare, ceea ce este benefică pentru aplicațiile LED. Acest material are un spectru luminos variat(verde, albastru sau violet). Este unicul material folosit pentru fabricarea LED-urilor de lumină albastră sau violet. Pentru a mări lungimea de undă, extinzând până la restul spectrelor vizibile, trebuie micșorată energia. Acest material nu este folosit pentru restul de spectre vizibile. Materialul substrat poate fi safir, SiC sau GaN, dar costurile ridicate ale ultimelor două încurajează folosirea safirului.

GaAsP. Dupa cum se vede in figura 1.1, sistemul GaAsP acoperă o gamă de spectre de la infraroșu până la galben, aproape de mijlocul spectrului vizibil. Tranziția între banda interzisă directă și cea indirectă apare la 1.9 eV(Concentrație de fosfor intre 45-50%) și pentru generarea lungimilor de undă în zona regimului de bandă interzisa indirectă, eficiența este foarte scăzută. Totuși, o metodă pentru o recombinare radiativă eficientă poate fi folosită prin introducerea unor impurități specifice cum ar fi azotul.[2]

Când azotul este introdus, el inlocuiește niste atomi de fosfor în structură. Învelișul electronic exterior al azotului este similar cu al fosforului(ambele elemente fiind din grupul V al tabelului periodic al elementelor), dar învelișul electronic central diferă. Această diferență constă în apariția unui nivel capcană pentru electroni apropriat de banda de conducție. Un centru de recombinare apare, el fiind numit centru izoelectronic. ZnO este un alt tip de centru de recombinare pentru pentru GaP. Centrele de recombinare sunt de obicei neutre din punct de vedere energetic. Dupa operațiune, un electron injectat este primul prins în această capcană. Astfel, centrul cu sarcină negativă capturează o gaură din banda de valență. Anihilarea acestei găuri de valență oferă fotonului o energie egală cu banda interzisă minus o energie aproximativ egală cu energia de combinare a centrului. Acestea pot fi observate în diagrama E-k din figura 1.2. Legile de conservare a impulsului sunt respectate deoarece capcanele izoelectronice sunt localizate sus in spatiu, și datorita principiului incertitudinii, au o rază mare în spațiul k.

Fig 1.2 Diagrama E-k afisând recombinarea radiativă prin capcana izoelectronică în zona de bandă interzisă indirectă a materialului

Figura 1.3a arată eficiența cuantică în funcție de compoziția aliajului GaAsP cu și fără impuritatea izoelectronica a azotului. Eficiența fără azot scade brusc în raza copoziției 0.4<x<0.5 datorită proximității tranziției bandă interzisă directă-bandă interzisă indirectă. Eficiența cu azot este considerabil mai mare pentru x>0.5, dar totuși și în cazul acesta scade ușor odată cu mărirea lui x datorită creșterii separației în tranziția dintre banda interzisă directă și banda interzisă indirectă. Azotul dopat de asemenea arată o schimbare în emisia lungimilor de undă datorită energiei de combinare a centrului izoelectronic(figura 1.3b)

Fig 1.3 (a) Eficiența cuantica a lui GaAsP în funcție de compoziția aliajului, cu sau fără impuritatea izoelectronica azot. (b) lungimea de undă a emisiei în funcție de compoziție

LED-urile GaAsP pot fi depuse pe substraturi de GaAs sau GaP în funcție de nivelul compoziției de fosfor. Avantajul substratului GaP este că nivelul pragurilor energetice ridicate, la fenomene precum absorbția luminii, este minim. LED-urile cu centre izoelectronice au, de asemenea, avantaje similare deoarece lumina emisă prin aceste centre a redus energia.

1.6. Convertoare de undă.

O tehnică uzuală de a regla culoarea LED-ului este de a-l acoperi cu un inveliș convertor de undă. Acest convertor absoarbe lumina LED-ului și re-emite lumina de lungimi de undă diferite. Convertoarele de unda pot fi fosfor sau alt semiconductor. În mod uzual, ei convertesc la energii mici(lungimi de undă mai mari) și au un spectru mai lat comparativ cu lumina originală. Eficiența lor este destul de ridicată, acesta fiind și motivul pentru care sunt foarte des întâlnite în LED-urile de lumină albă. Conversia la energie ridicată este rareori folosită. LED-urile albastre pot fi obținute din infraroșu. Emisia infraroșie de la GaAs este absorbită de fosfor dopat cu ioni rari de yterbiu și erbiu. Operațiunea depinde de absorbțiile succesive de câte 2 fotoni în zona infraroșie, urmate de emisia unui singur foton în regiunea vizibilă.

1.7. Definiții ale eficiențelor

Funcția primară a unui LED este de a converti energie electrică în lumină vizibilă ochiului uman pentru afișaj și iluminare. În acest capitol, diverse definiții ale eficiențelor sunt discutate. Fiind știute originile acestor eficiențe, pot fi făcute optimizări de rigoare.

1.7.1 Eficiența cuantică internă.

Pentru o putere de intrare dată, procesele de recombinare radiativă sunt în concurență directă cu cele non-radiative. Fiecare tranziție de la o bandă la alta și tranzițiile prin capcane pot fi ori radiative ori non-radiative. Exemple de tranziții non-radiative pot fi cele din semiconductorii cu bandă interzisă indirectă. În mod analog, exemple de recombinări radiative prin capcane pot fi cele prin nivele izoelectronice

Eficiența cuantică internă, ηin, este eficiența conversiei curentului purtător în fotoni definit ca raportul dintre numarul total de fotoni emiși și numărul de purtători care trec de joncțiune.

De asemenea poate fi descrisă ca fracția dintre purtătorii injectați care se combina radiativ la rata totală de recombinare, și de asemenea poate fi scrisă în termeni de durata lor de timp ca

Unde si sunt ratele de recombinare radiativă, respectiv non-radiativă, iar si sunt timpii asociati recombinărilor radiativă, respectiv non-radiativă. Pentru injecții de nivel scăzut, recombinarea radiativă în zona p a joncțiunii este dată de formula

Unde este coeficientul de recombinare, este numărul lui Avogadro, iar este excesul de densitate de purtători care este mai mare decât densitatea purtătorilor minoritari la echilibru . este o funcție a benzii structurii și temperatură. Valoarea sa poate fi foarte mică pentru semiconductori cu bandă interzisă indirectă.( pentru materiale cu bandă interzisă directă și pentru materiale cu bandă interzisă indirectă).

Pentru nivele de injecție mari, totuși, scade cu . Deci, în heterostructuri duble, confinarea purtătorilor crește si este redus pentru a îmbunătăți eficiența cuantică internă. Durata de recombinare non-radiativă este de obicei atribuită capcanelor(de densitate sau centrelor de recombinare,

unde σ este aria secțiunii transversale. Este evident că timpul de recombinare radiativ trebuie să fie mic pentru a avea o eficiență cuantică internă ridicată.

1.7.2. Eficiența cuantică externă.

Evident, pentru aplicațiile LED, lumina emisă în exterior este cea mai importantă. Pentru asta, trebuie luate in considerare opticile din interior și din exteriorul dispozitivului. Parametrul măsurarii eficienței de a scoate lumina afară este eficiența optică , uneori fiind numită eficiența de extracție. Cu acest factor cunoscut, definim eficiența netă cuantică externă astfel:

1.7.3. Eficiența optică.

Eficiența optică este un subiect al opticii dispozitivelor, independent în totalitate de fenomenele electrice.

Întâi, vom prezenta legea de bază a refracției când fasciculul de lumină trece prin interfața ambient-seminconductor. Cel mai important fenomen se deduce din legea lui Snell(arătată în figura 1.4), care spune că direcția fasciculului înainte și dupa interfață este dat de formula:

unde si sunt indicii de refracție al semiconductorului, respectiv al mediului ambient. Pentru o incidență normală, direcția luminii nu este schimbată, cu excepția faptului că suferă de o pierdere Fresnell cu coeficientul de reflexie

Pentru căi optice în care >, din moment ce (are valoarea în jur de 3-4 pentru majoritatea semiconductorilor) este mai mare decat (coeficientul de refracție al aerului = 1), este întotdeauna mai mare decat . Figura 1.4 arată că există un unghi critic pentru cand devine și lumina refractată este paralelă cu interfața. Acest unghi critic definește conul de refracție în afara căruia, lumina este reflectată în totalitate în semiconductor. Înlocuind = în legea lui Snell, formula unghiului critic este următoarea

Pentru GaAs(=3.66) si GaP(=3.45), unghiul critic este în jur de -.

Fig 1.4 Direcțiile optice la interfața semiconductor-ambient. A: Incidenta normală are un efect minor. B: Unghiurile de refracție(>) din legea lui Snell. C: Raza din afara conului de refracție (<) are o reflexie totală.

Cantitatea de fotoni emisă este pierdută prin 3 căi: absorbția în materialul LED-ului, pierderile Fresnell și pierderile datorate unghiului critic. Pierderile datorate absorbției materialului LED în cazul substraturilor de GaAs sunt mari din moment ce substratul este opac și absoarbe aproximativ 85% din fotonii emisi de jonctiune. Pentru LED-urile cu substrate transparente precum GaP cu centre izoelectronice, fotonii emiși pot fi reflectați înapoi cu o absorbție de doar 25%, deci eficiența este substanțial mărită. Pierderile Fresnell sunt datorate reflexiei interne înapoi în semiconductor. A treia cauză a pierderilor este cauzată de reflexia internă totală a fotonilor incidenți suprafeței la unghiuri mai mari decat unghiul critic .

Pentru a estima eficiența optică în cazul pierderilor datorate unghiului critic, ignorăm pierderile datorate absorbțiilor și cele Fresnell pentru simplitatea calculului. Unghiul solid al conului de ieșire este

În timp ce unghiul solid total este 4, eficiența optică se poate deduce simplu din fracția

Pentru un semiconductor LED cu suprafață plană, a fost observat că eficiența optică este de doar 2%.

Un fenomen interesant care se deduce din legea lui Snell este că, deși lumina din interiorul semiconductorului are intensitate uniformă, lumina emisă in mediul ambient are o dependență de unghi. Are o intensitate maximă când unghiul este normal pe suprafață și scade odată cu creșterea lui. Egalând energia luminii de sub și de deasupra interfeței, se poate arăta că pentru o structură LED obișnuită planară, intensitatea luminii emisă are o dependență față de unghi în felul următor

Unde este puterea sursei de lumină și r este distanța de la suprafață la sursă. Un asemenea model de emisie se numește modelul Lambertian. Pentru o structură planară, la un unghi de 60 de grade, intensitatea normalizată scade până la 50%. Pentru o emisferă ideală, din moment ce toate razele sunt normale la suprafață, intensitatea emisă se menține constantă și unghiul critic este eliminat complet. Totuși, în practică, o asemenea formă de emisferă este aproape imposibil de realizat. Un bun compromis practic ar putea fi limitarea structurii planare cu o mantie al cărei indice de refracție este între cel al semiconductorului și cel al mediului ambient.

Energia optică totală emisă a unei structuri planare poate fi calculată integrând în intervalul ecuația dependenței intensității de unghiul de refracție. Eficiența optică poate fi calculată comparând puterea luminii emise cu puterea sursei joncțiunii.

Fig 1.5 Structuri LED arătând direcția emisiei luminii în cazul emiterii prin suprafață (a) și în cazul emisiei prin margini (b)

Pana acum, am considerat că lumina este emisă în afara dispozitivului din direcția joncțiunii și prin suprafață de sus sau de jos. Asemenea dispozitive sunt numite suprafețe emițătoare. Altă posibilitate a dispozitivului, sunt emiterile prin margine, unde lumina iese paralelă cu joncțiunea(Fig 1.5). Acestea sunt două configurații de bază pentru a cupla ieșirea luminoasă a LED-ului printr-o fibră subțire de sticlă. Pentru emisia prin suprafață, zona de emisie este confinată de izolarea oxidului și o zonă puțin rezistentă formată din difuzia unor ioni pozitivi. Stratul semiconductorului prin care trebuie să treacă emisia este foarte subțire, între 10 și 15 micrometri, pentru a minimiza absorbția. Folosirea heterojoncțiunilor(GaAs/AlGaAs) poate mări eficiența rezultată din purtători confinați din straturile de semiconductori de bandă interzisă mare(ex. AlGaAs) care înconjoară zona de recombinare radiativă( ex. GaAs). Heterojoncțiunea poate, de asemenea sa fie o fereastră pentru radiația emisă datorită faptului că banda interzisă foarte mare care confinează straturile, nu absoarbe radiația emisă din zonele de bandă interzisă ingustă. Pentru emisia prin margine, zonele active și structurile heteroduble sunt intercalate de două plachete și, astfel, se formeaza un ghid pentru fascicul. Lumina care iese este colimată, deci nu suferă de la reflexia totală asociată unghiului critic. Avantajul este o eficiență ridicată în cuplarea cu o fibră cu un unghi mic de acceptare. Distribuția spațială a luminii emise este similară cu distribuția heterostructurii laser.

1.7.4. Eficiența energetică.

Eficiența energetică, poate fi definită simplu ca și raportul dintre puterea luminii la ieșire și puterea electrică la intrare,

De vreme ce pierderea este aproximativ egală cu decalajul de energie și energia luminoasă(), se deduce că eficiența energetică este similară cu eficiența cuantică externă.

1.7.5.Eficiența luminoasă.

Comparând efectele vizuale ale LED-urilor, răspunsul ochiului va trebui luat în considerare. Eficiența luminoasă normalizează eficiența energetică cu un factor care este în legătură cu senzitivitatea ochiului. De exemplu, ochiul uman are o sensibilitate de vârf la 0.555 (verde). Când lungimile de undă se aproprie de capetele spectrului vizibil(roșu sau violet), senzitivitatea scade rapid. Astfel, e nevoie de mai puțină putere în culoarea verde decât în alte culori pentru a se observa aceeași luminozitate. Pentru aplicațiile LED în display și iluminare, eficiența luminoasă este un parametru mai adecvat.

Intensitatea unui fascicul de lumină este măsurată de fluxul luminos( în lumeni)

Unde este o constantă cu o valoare de 683 lm/W, este senzitivitatea relativă a ochiului și este spectrul de putere al radiației de la ieșire. Funcția senzitivității ochiului este normalizată la unitate pentru un vârf la 555 nm. Eficiența luminoasă este dată de formula:

Eficiența luminoasă maximă este de 683 lm/W.

Așa cum tehnologia LED avansează cu timpul, eficiența luminoasă a înregistrat progrese remarcabile. Îmbunătățirile cronologice sunt ilustrate in Fig. 1.6. Eficiența luminoasă pentru sistemele de iluminare convenționale sunt de asemenea incluse în comparație. Panta din figură arată o îmbunătățire cu un factor de 2 la fiecare 3 ani. Evident, asemenea rată de îmbunătățire nu mai poate fi susținută, deoarece eficiența luminoasă se aproprie de valoarea maximă de 683 lm/W. Acum, cele mai avansate sisteme LED au depășit deja sistemele de iluminare tradiționale.

Fig 1.6 Progresul eficienței luminoase a LED-urilor odată cu timpul.

1.8. LED-urile cu lumină albă.

O aplicație importantă, este de a folosi LED-urile cu lumină albă în scopuri de iluminare avansată. Această zonă de aplicații devine din ce în ce mai importantă deoarece și eficiența luminoasă și eficiența energetică au fost îmbunătățite încât să fie în competiție directă cu sistemele convenționale de iluminare. Exemplele folosirii în activitățile obișnuite pot fi lămpile din case, luminile decorative, lanternele, etc.

Lumina albă poate fi obținută amestecând două sau trei culori de aceeași rată de intensitate. În principiu, sunt două modalitati de a obține lumina albă. Prima, este de a combina LED-uri de diferite culori: roșu, albastru și verde. Aceasta nu este prea practică, deoarece este foarte costisitoare, și amestecând mai multe culori de lungime de unda mică, nu se poate reda corespunzător. A doua metodă, cea folosită cel mai frecvent, este de a avea un LED acoperit de un convertor de culoare. Un convertor de culoare este un material care absoarbe lumina originală a LED-ului și emite lumina de alta frecvență. Materialul convertorului poate fi fosfor, colorant organic sau alt semiconductor . Din cele trei posibilități, fosforul este cel mai folosit. Lumina emisă de fosfor are, în general, un spectru mai larg, comparat cu lumina originală a LED-ului, și lungimea de undă este mai mare. Eficiențele convertoarelor sunt foarte mari, apropriate chiar de 100%.

O versiune utilizată frecvent este un LED albastru împreună cu fosfor galben. În această variantă, lumina LED-ului este parțial absorbită de fosfor. LED-ul albastru este amestecat cu lumină galbenă produsă de fosfor pentru a genera lumină albă. O altă variantă, este de a folosi LED UV(ultraviolet). Lumina LED-ului este complet absorbită de fosfor și un spectru larg este reprodus care emulează lumină albă.

1.9. Răspunsul în frecvență.

Răspunsul în frecvență este un alt parametru important de care se ține cont în proiectarea LED-urilor pentru aplicații cu viteză foarte mare, cum ar fi sistemele de comunicații bazate pe fibră optică. Acesta determină frecvența maximă la care LED-ul poate fi oprit sau pornit, deci rata maximă de transfer de date. Frecvența de tăiere se află după formula

unde este durata totală de viață definită astfel: .

Cum am spus mai sus, eficiența cuantică internă este în strânsă legătură cu duratele radiative și non-radiative, si . În ecuația de mai sus, se aproprie de cand . Astfel, descrește când doparea în stratul activ crește și frecvența de tăiere crește. Deci, pentru considerente de viteză, se preferă mărirea concentrației de dopaj în stratul de mijloc activ al heterostructurii.[2]

CAPITOLUL 2. LASER

2.1. Structura de bază.

Dioda laser cu joncțiune pn este o sursă de lumină excelentă pentru uz în circuitele optice integrate și în sistemele de transmisii prin fibră optică datorită dimensiunilor reduse, structurii simple și viabilității ei. Până în ziua de azi, cele mai multe diode laser au fost făcute in GaAs, GaAlAs sau GaInAsP. Totuși, tehnologiile de fabricație au fost făcute pentru a produce lasere și din alte materiale precum GaN sau SiGe, ca să obținem emisii la lungimi de undă diferite. Structura de bază a unei jonctiuni pn se poate observa in figura 2.1.

Fig 2.17 Structura de bază a unei joncțiuni laser pn

O joncțiune pn este formată, de obicei, prin creștere epitaxială a unui strat p pe un substrat n. Contactele ohmice sunt făcute pentru ca fiecare regiune să permită fluxul de curent electic, denumit și sursa de energie de pompare necesară pentru a permite populației inverse în zona activă să avanseze în joncțiune. Două fețe paralele sunt fabricate pentru a funcționa ca oglinzi pentru a oferi feedback-ul optic necesar pentru a stabili modul optic de laser. Dispozitivul arătat în figura de mai sus este o structură discretă diodă, astfel că, poate fi folosită în conjuncție cu o fibră optică de transmisie. Structura fundamentală oferă o bază convenabilă pentru dezvoltarea unei descrieri teoretice a performanțelor laserului care poate fi adaptată ușor la dispozitive mai complexe.

2.2. Moduri optice.

Părțile reflective ale diodei laser oferă un feedback optic care duce la stabilirea unuia sau mai multe moduri optice longitudinale. Datorită similarității lor plane ale oglinzilor optice paralele ale interferometrului Fabry-Perot, fețele laserului se mai numesc și suprafete Fabry-Perot. Când curentul trece prin dioda laser, lumina poate fi generată de rezultatul inversării populațiilor emisiilor atât spontane cât și stimulate de fotoni. Datorită reflexiei de pe suprafețele Fabry-Perot, unii fotoni care trec înainte și înapoi de multe ori prin regiunea de populație inversată sunt multiplicați de emisia stimulată. Acești fotoni care merg exact în planul stratului și exact perpendicular pe suprafețele Fabry-Perot au cea mai mare probabilitate de a rămâne în stratul populației inversate unde se pot reproduce datorită emisiei stimulate. Prin urmare, ei devin fotonii mdelului sau modelelor optice care sunt stabilite când se atinge starea statică la un nivel de curent dat. Este posibil ca alte moduri să se dezvolte pentru a corespunde fotonilor care se propagă în zig-zag reflectându-se pe fețele laserului, dar într-un dispozitiv practic, aceste moduri sunt anulate întărind fețele sau folosind o tehnologie echivalentă pentru a atenua modurile nedorite. Radiația modului laser, de asemenea, trebuie să fie de frecvență și fază uniforme pentru a evita interferențele destructive. Ca rezultat, o undă statică este produsă în dioda laser cu număr integral de jumatate de lungimi de undă între fețele paralele. Numărul de moduri m este dat de numărul de jumătăți de lungimi de undă, astfel

unde L este lungimea dintre fețele laterale, n este indicele de refracție al materialului laser, iar este lungimea de undă a luminii emise. Modul de spațiere se poate determina derivând m în funcție de lungimea de undă, ținând cont că semiconductorele laser sunt întotdeauna operate la marginea benzii interzise, unde indicele de refracție este o funcție de lungimea de undă.

2.3. Condițiile de prag ale laserului

Când o dioda laser este polarizată direct și curentul începe să curgă, dispozitivul nu emite lumină imediat. La nivele mici de curent, lumina emisa este, în mare parte, datorata emisiei spontane și are o caracteristică spectrală de câteva sute de Armstrongi. Este o lumină necoerentă. Când curentul crește, se creează o populație mai mare inversată în zona joncțiunii și mai multi fotoni sunt emiși. Emisia spontană de fotoni este produsă mai mult sau mai puțin în toate direcțiile. Cei mai mulți încep în direcții care rapid îi vor căra în afara zonei de populație inversată unde emisia stimulată netă are loc, și deci, sunt incapabili să se reproducă. Totuși, acești puțini fotoni care se întamplă sa meargă exact prin zona joncțiunii plane și perpendicular pe fețele reflective sunt în stare să se duplicheze singuri de multe ori până să iasă din laser. În plus, pentru orice bandă interzisă dată și distribuție de goluri și electroni, este o anumită energie(lungime de undă) care este preferată în fața celorlalte. În primul rând, această lungime de undă corespune de obicei, vârfului de undă la care emisia spontană are loc în material. Ca rezultat al acestei energii preferate, unde emisia stimulată crește odată cu curentul, radiația emisă se îngustează substanțial atât în liniile spectrale cât și în divergența spațială. Odată cu creșterea emisiei stimulate, densitatea de fotoni a modului optic crește, ajungându-se astfel la o creștere în emisia stimulată, astfel încât, mai multe perechi gol-electron sunt consumate pe secundă. Prin urmare, emisia spontană este suprimată pentru orice rată de generare de perechi gol-electron deoarece emisia stimulată folosește perechile generate inainte ca acestea să se recombine spontan. Datorită condiției de fază, lumina este produsă de emisie stimulată într-o structură de rezonanță optică coerentă, precum dioda laser, și se spune astfel că dispozitivul se comportă ca un laser.

Tranziția de la o emisie obișnuită la una de radiație coerentă are loc atunci când nivelul curentului electric depășeste nivelul de prag.

Fig 2.28 Puterea optică a luminii de la ieșirea laserului ca funcție de curentul de intrare.

Când se depășeste valoarea de prag, se observă o creștere abruptă a pantei din figura 2.2 datorată eficienței cuantice ridicate în procesul de laser. De asemenea, forma liniară spectrală a luminii emise se schimbă abrupt de la linia de emisie spontană la una care conține un număr de moduri înguste de propagare. Din punct de vedere cuantic, pragul laser-ului corespunde punctului în care numărul de fotoni generați de emisia stimulată este egal cu numărul de fotoni pierduți datorită împraștierilor sau absorbțiilor în laser. În termeni convenționali folosiți pentru a descrie un oscilator, se poate spune că dispozitivul are o buclă de câstig egală cu unitatea. Folosindu-ne de această informație, este posibil de a dezvolta o expresie pentru curentul de prag ca funcție de parametri geometrici și de material.

Vom începe prin a considera joncțiunea pn din fig. 2.1. Lumina este emisa de laser, de preferință, în direcția perpendiculară cu suprafețele Fabry-Perot. Distribuția de energie spațială a valului de lumină este aratat în figura 2.3.

Fig. 2.39 Distribuția de energie spațială a luminii în dioda laser: a real; b ideal

Distribuția de fotoni se extinde în zonele inactive pe fiecare parte a joncțiunii datorită difracției. Totuși, este un strat emitor de lumină de grosime D, mai gros decât cel de grosime d al stratului activ sau de populație inversată. De exemplu, pentru diodele GaAs, d are valori de 1 um iar D de 10 um. Se poate vedea în situația ideală că, din numărul total de fotoni existenti , numai o fracțiune d/D rămân în zona activă și pot genera alți fotoni prin emisie stimulată. Acest efect reduce câstigul dispozitivului.

Fig 2.410 Diagrama fluxului de putere a diodei laser

Pentru a deriva expresia cantitativă știind densitatea de curent necasară pentru a produce laser, considerăm o singură trecere a valului de lumină laser de la o suprafață Fabry-Perot la alta. Diagrama fluxului de putere arată precum cea descrisă în figura 2.4. este puterea optică incidentă pe fiecare parte a suprafețelor și R este coeficientul puterii reflectate. Sub condiții de oscilație, produsul are o creștere exponențială cu distanța în timpul unei singure treceri ajungând la puterea la suprafața Fabry-Perot opusă. Pierderile sunt acoperite de câștigurile datorate emisiei stimulate a laserului. La fiecare suprafață Fabry-Perot, o putere de ieșire este emisă. Daca α este coeficientul de pierderi[] pentru unda transversală și g este coeficientul de câstig[], puterea este o funcție de distanța data de formula

De notat că, câștigul are loc numai peste zona de populație inversată; prin urmare, g trebuie să fie multiplicat cu d/D, cât timp pierderile au loc oriunde câmpul se extinde și prin urmare, α nu este multiplicat de nimic. Pentru oscilații(câstigul buclei este 1), trebuie să fie adevărat că sau . Astfel, .

Coeficientul de câstig g este dependent de densitatea de goluri și electroni injectată. Poate fi evidențiat în formula urmatoare:

Folosindu-ne de relația de mai sus și de condiția de vârf, obținem că pierderile sunt egale cu câstigul astfel:

Deci, curentul de vârf este acel curent necesar pentru a produce destule câștiguri ca să depășească pierderile.

De notat că, din punctul de vedere al vârfului, lumina de la ieșirea fețelor laserului trebuie luată în considerare ca și pierdere. Ele sunt luate în cosiderare în termenul (1/L)ln(1/R). Nu este chiar evident că termenul înseamnă pierderea datorată puterii emise din fețele de capăt, dar dacă substituim coeficientul de transmisie, T=1-R și efectuăm o serie de dezvoltări ale logaritmului ln[1/(1-T], obținem

Ignorând coeficienții T de ordin mare, obținem

T/L reprezintă coeficientul de pierdere[] obținut prin medierea coeficientului de pierdere T peste lungimea L. De vreme ce T are o valoare tipică de 0.6(for GaAs), ignorând termenii de putere mai mare sau egală decat 2 nu produce un rezultat exact și nu trebuie făcut în practică. Totuși, scopul acestui exemplu este de a demonstra calitativ că natura termenului(1/L)ln(1/R) este ca coeficientul mediu de pierderi pe unitatea de lungime rezultată din trasmisia fotonilor în afara laserului.

De la dezvoltarea teoretică care condce la relația de egalitate dintre câstig și pierderi, observăm că împraștierea fotonilor în afara zonei de populație înversată spre regiunile pasive rezultă într-o creștere substanțială a densității curentului de varf. Acest fapt sugerează că dioda laser trebuie facută ca să îndeplinească rația D/d=1 pentru performanțe optime.

2.4. Structuri laser heterojoncțiune simplă de bază

Fig 2.511 Structura heterojoncțiune laser simplă

Cel mai simplu laser heterojoncțiune fabricat este structura din figura 2.5. Pentru fabricarea acestui dispozitiv, difuzia anormal de rapidă a zincului in GaAs este folosită pentru a forma o joncțiune difuză pn la 1-2 micrometri sub heterojoncțiunea GaAlAs-GaAs. Dacă concentrațiile de purtători n și p sunt aproximativ egale pe ambele fețe ale joncțiunii, injecția de curent va consta cel mai mult în electroni injecțati în stratul p, datorită faptului că masa efectivă a unui electron este de 7 ori mai mică decât cea a unui gol. Totuși, zona de populație inversată, sau stratul activ, în acest tip de SH este zona p GaAs. Acest laser SH poate fi fabricat utilizând metode de creștere lichidă epitaxială, exceptând faptul că este folosită o temperatură de creștere mare de 900-1000 de grade celsius pentru a facilita difuzia zincului în substrat.

Grosimea stratului activ poate fi setată controlând timpul și temperatura creșterii epitaxiale(prin urmare și a difuziei de Zn) pentru a produce o grosime de la 1 la 5 micrometri. Totuși, de vreme ce lungimea difuziei a electronilor injectați este de doar 1 micrometru, mărind grosimea stratului p de GaAs peste acea valoare va rezulta într-o eficiență mai scăzută și o valoare mai mare de prag a densității curentului electric, deoarece zona de populație inversată este încă limitată la o grosime de 1 micrometru prin recombinare electronică. Totusi, deși modul optic se întinde peste tot stratul de GaAsm, poate fi pompat prin emisie stimulată peste un strat de numai 1 micrometru foarte apropriat de joncțiunea pn și rezultă o eficiență scăzută. În unele cazuri, se poate dori să se mărească grosimea stratului de p-GaAs peste cea de 1 mcirometru, ignorându-se creșterea valorii de prag a densității curentului electric, datorită faptului că difracția redusă a fasciculul optic în straturi mai groase rezultă într-un unghi mai mic de divergență a luminii emise în planul perpendicular cu joncțiunea pn.

În laserul SH, confinarea optică are loc numai pe o anumită parte a joncțiunii emitoare de lumină, la interfața dintre straturile de p-GaAs si p-GaAlAs. Deși este un efect de undă ghidată în stratul epuizat al joncțiunii în sine datorită reducerii concentratiei de purtători, acest fenomen este în general neglijabil comparativ cu confinarea substanțială care are loc datorită schimbării indicelor de refracție ai heterojoncțiunii. Astfel, laserul SH este eficient doar parțial în producerea confinamentului optic dorit. Ca rezultat laserele SH experimentează valori mari de vârf pentru densitatea curentului electric și se pot compara cu laserele DH din acest punct de vedere. De fapt, laserele SH trebuie să fie operate mai mult pe bază de impulsuri, la temperatura camerei. În multe aplicații, operațiile pe bază de impulsuri nu sunt în detrimentul performanțelor totale ale sistemului, și pot fi chiar benefice, pentru a îmbunătăți raportul semnal-zgomot. Prin urmare, laserele SH au fost folosite foarte mult în trecut ca surse într-o varietate de aplicații optoelectronice. Totuși, când o sursă de diodă laser cw(cu undă continuă) care poate opera la temperatura camerei este necesară, o structură DH este necesară pentru folosire. În ultimii ani, cererea foarte mare de structuri DH a rezultat într-o producție foarte mare a acestora la prețuri mai scăzute, așa că, laserele SH sunt folosite rareori acum.

2.5. Structuri laser Dubla-Heterojoncțiune(DH)

Fig 2.612 Dioda laser cu dubla heterojoncțiune(DH)

Structura fizică a unui laser tip DH este aratată în figura 2.6 împreună cu o diagramă a indicelor de refracție din direcția normală spre joncțiunea pn. Structura de bază GaAlAs, un ghid de undă de 3 straturi, este crescut pe un substrat dopat puternic cu purtători n și este mărginit cu un strat dopat puternic de purtători p de GaAs pentru a facilita formarea contactelor electrice. Zona de regiune activă este stabilită pe partea p a joncțiunii pn, cum a fost explicat anterior. Foarte des, stratul activ conține o anumită concentrație de Aluminiu pentru a schimba emisia optică la lungimi de undă mai mici. Grosimea stratului activ trebuie să fie mai mică de 1 micrometru pentru a ne asigura că o populație inversată există în întregul strat decît să fie limitat de lungimea de difuzie pentru electroni injectați. De fapt, grosimea stratului activ este redusă chiar la 0.2 spre 0.3 micrometri pentru a produce o populație inversată mai multă și o densitate mai mare de fotoni. Concentrațiile tipice de dopanți sunt pentru stratul p, pentru stratul activ, în stratul n-GaAlAs si în substrat. Alegerea acestor concentrații este guvernată de dorința de a reduce rezistența în material limitând în același timp absorbția de purtători liberi în regiunea emitoare de lumină. Structura cu strat multiplu reprezentată în figura 2.8 este facută prin creștere epitaxială. Metodele de creștere MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapori Depositor – Depozitare chimică metal-organică prin vapori) sau MBE(Molecular Beam Epitaxy – Epitaxie cu fascicul molecular) oferă niște avantaje pentru fabricarea diodelor laser. MOCVD permite procesarea unor plachete mari, în timp ce laserele cu groapă de potențial pot fi făcute prin ambele metode. Astfel, aceste metode înlocuiesc creșterea epitaxială lichidă în liniile de producție.

Laserii cu dublă heterojonctiune ofera confinare pe ambele parti ale regiunii active. Datorita acestei confinari ale fotonilor laser si ale purtatorilor injectati spre zona de populatie inversata, unde este posibil castigul datorita emisiei, laserul DH este foarte eficient si are cerinte minime referitoare la curentul de varf, comparativ cu alti laseri.

2.6. Caracteristicile de performanță ale laserilor cu heterojoncțiune

Performanțele superioare ale laserilor cu heterojoncțiune rezultă din efectele combinate ale confinării câmpului optic și o injecție și recombinare eficientă a purtătorilor. În această parte se vor descrie aceste caracteristici și diferențele dintre performanțele laserilor SH și DH vor fi explicate.

2.6.1. Confinarea câmpului optic

Confinarea câmpului optic este coeficientul de fotoni laser care rămân în zona de populație inversată d/D, afecteaza puternic densitatea de curent de vârf și eficiența . Cantitățile și pot fi calculate dupa formule, dar avem nevoie de raportul d/D pentru aceste calcule.

Procedura pentru determinarea d/D este, de principiu, de a rezolva ecuația undei, fiind subiectul condițiilor limită pentru structura de ghid, astfel determinând expresia cantitativă pentru mod. Raportul d/D este aflat integrând expresia densităților de fotoni peste grosimea populației inversate și împărțind acea cantitate la numărul total de fotoni ai modului, care este obținut integrând expresia densității de fotoni peste extinderea la întregul mod. Soluția ecuației de undă pentru a găsi forma de mod în 3 straturi, ghid de undă simetric, este o problemă majoră care implică calcule foarte complicate. Totuși, în multe cazuri, o acuratețe bună poate fi obținută folosind aproximări, dar mai concis se pot folosi anumite relații ale lui McWorther.

Rezolvand ecuațiile Maxwell, McWorther a obținut niște relații care oferă forma modului transversal într-un semiconductor laser pentru o regiune activă de grosime d și indice , legat de regiunile de confinare cu indici și , arătate în figura 2.7, astfel că este mai mare decat și .

Fig 2.713 Model pentru câmpul de confinare într-o dublă heterostructură laser

Se presupune că lumina care confinează straturile are o grosime suficientă astfel încât coada modului optic nu penetrează prin straturile de contact n și p. Densitatea spațială de energie (densitatea de fotoni) în regiunea activă (a) este dată de formula pentru , unde A și B sunt constante.

În straturile de confinare (b) si (c), este dată de formula pentru , si pentru .

Coeficienții de extragere și sunt determinați din formulele si

unde n este indicele de refracție al GaAs pur pentru lungimea de undă laser și unde și .

Odată ce si au fost calculați, constantele , A și B pot fi determinate din formulele densității de energie spațială, dacă se îndeplinesc condițiile de limită pentru continuitate la interfețele de uz general. Factorul de confinare d/D poate fi determinat din formula

unde se ia din formulele aferente.

Calcului lui d/D din relațiile lui McWhorter este, totuși, o procedură lungă și complicată deși este mai precisă decât soluția din ecuațiile lui Maxwell. Din fericire, există și o alternativă. Casey și Panish au dezvoltat o expresie aproximativă pentru factorul de confinare d/D care se petrece pentru un caz special de simetrie, în 3 straturi, ghidul de undă cu o grosime mică d. Ei au arătat că , unde a este fracțiunea atomică a aluminiului în straturile de confinare, factorul de confinare fiind dat de formula

Unde este amplitudinea de vârf în câmp și γ este dat de formula , unde si sunt indicii de refracție în straturile activ, respectiv de confinare. Factorul de confinare pentru ghidul cu simetrie in 3 straturi este reprezentat în figura 2.8 pentru o serie de valori tipice pentru d și a. Aceste curbe sunt bazate pe presupunerea că laserul operează în modul fundamental, care este cazul general pentru un laser DH bine proiectat. Din grafic, se poate observa că o confinare de aproape 100% poate fi obținută pentru o regiune activă groasă de doar 0.4 micrometri, fâră să depășim fracția atomică a aluminiului de 0.6. Aceasta este semnificativă, deoarece AlAs este higroscopic, și o concentrație mai mare de aluminiu in nu este recomandată. În final, trebuie notat că factorul de confinare d/D poate fi calculat și prin software-uri comerciale.[4]

Fig 2.814 Factorul de confinare în modul fundamental într-o structură simetrică în 3 straturi -GaAs

2.6.2. Confinarea purtătorilor

Cum am menționat anterior, unii cercetători care au propus inițial heterojoncțiunea laser, nu au făcut-o datorită câmpului optic de confinare, dar datorită faptului că heterojoncțiunea oferă o injecție mai eficientă de purtători și confinarea acestora în regiunea activă. Diagrama benzii de energie a unui laser dublă heterojoncțiune -n-p- GaAlAs este aratată în figura 2.9. Datorită faptului că lărgimea benzii interzise este mai mare în regiuni cu o concentrație mai mare de aluminiu, discontinuități rezultă în banda de conducție la joncțiunea p- și în banda de valență la n-p și joncțiunile -n. Benzile de energie din figura de mai jos, sunt pentru cazul în care nu se aplică polarizări externe, și discontinuitățile magnitudinilor benzilor de conducție și de valență au fost desenate mai mari decat scala, pentru a sublinia mai bine prezența lor în scopuri pedagogice. Când o tensiune directă se aplică laserului DH electronii sunt injectați din regiunea n în regiunea p, formând curentul de recombinare dorit. Discontinuitatea în banda de conducție la interfața p- ofera o barieră în fața electronilor injectați, tinzând să îi confine în regiunea p și a mări probabilitatea recombinării lor cu goluri ale procesului de emisie stimulată. Discontinuitatea benzii de valență la joncțiunea n-p augmenteaza bariera de potențial deja existentă, pentru a preveni și mai bine injecția de goluri în regiunea n, astfel, îmbunătățind eficiența injecției. Astfel, heterostructura dublă tinde să confine și purtătorii majoritari și cei minoritari în stratul activ p. De vreme ce fotonii modului optic sunt de asemenea confinați în stratul activ de heterojncțiuni, laserul DH oferă condiții optime pentru a stabili cea mai mare populatie inversată posibilă și cea mai mare densitate de fotoni în stratul activ, acestea fiind cele două condiții primare pentru emisia stimulată. Astfel, se poate aștepta că laserul DH poate depăși laserul homojoncțiune ca performanțe, ceea ce deja se întâmplă.

Fig 2.915 Diagrama benzii de energie a unei diode laser dublă heterojoncțiune -n-p-.

2.6.3. Comparație a caracteristicilor de emisie laser

Densitatea curentului de vârf pentru o homojoncțiune laser tipică este de ordinul , și eficiența cuantică diferențială este de aproape 10%. Deși, în cazul laserului SH confinarea fotonilor și purtătorilor apare doar la o interfață a stratului activ, el este destul de efectiv ca să reducă densitatea curentului de vârf la , și pentru a mări eficiența cuantică diferențială la 40%. Trebuie amintit, desigur, că și sunt funcții de temperatură, de grosimea stratului activ, și concentrații de dopanți și orice caz dat; deci numerele citate aici sunt valori tipice oferite numai în scopuri comparative. Deoarece este relativ mare în lasere SH și este doar moderat, ele pot fi operate la curent continuu. Ele trebuie pulsate, de obicei cu impulsuri de 100 ns la o rată de repetiție de 100-1000 Hz, pentru a permite regiunii de joncțiune să se răcească între pulsuri. Cu toate acestea, puterea de vârf a impulsurilor este de 10-30 W.

Laserul DH, care ofera confinare la ambele interfețe ale regiunii active, are o densitate a curentului de vârf tipică de la 100 la 400 , și eficiența cuantică diferențială de 91%. Laserul DH poate fi operat la curent continuu, la o putere de iesire de câțiva Watti. Construind bări de diode laser semiconductoare în linie, Schulz și Poprawe au atins o ieșire de 267 W/bara. Un dezavantaj al laserului DH este că unghiul de divergență al fascicului în planul perpendicular joncțiunii poate fi de , față de in laserele SH obisnuite. Această divergență, care rezultă din difracția în stratul activ subțire, poate fi redusă folosind structuri DH de cavități optice largi speciale, care oferă confinare separată a fotonilor și purtătorilor. Pentru zona largă de homojoncțiune, laserii SH și DH, asa cum au fost ei descriși până acum, nu există confinare în marginile planului joncțiunii, lumina fiind liberă să se împrăștie la o distanță de 20-80 micrometri față de centru. Ca rezultat, divergența fasciculului în planul joncțiunii este de aproape în toate cazurile. Laserii cu geometrie de bandă confinează lumina și in direcții laterale. Această confinare rezultă într-o reducere și mai mare a lui , dar de asemenea cauzează și o creștere în divergența fasciculului în planul joncțiunii. Laserii cu emisie prin suprafață, au o zona largă de emisie, care rezultă într-o divergență mică a fasciculului.[2]

2.7. Controlul lungimii de undă emise

Una din cele mai importante caracteristici ale semiconductorilor laser este lungimea de undă, la care, emisia de vârf a luminii are loc. Este de dorit să împărțim lungimea de undă de vârf cumva încât să fie caracteristică substratului materialului semiconductor pentru a avea avantajul transparenței în orice gamă dată.

2.7.1. Laseri pentru aplicații de fibre optice

Lungimea de undă de emisie de varf a unui laser homojonctiune format in GaAs este de 9200 de Armstrongi, corespunzând recombinării radiative a electronilor în stările donoare 0.005 eV sub marginea benzii de conducție și goluri în stări acceptoare 0.030 eV deasupra marginii benzii de valențe (lungimea de bandă interzisă a GaAs-ului pur la temperatura camerei este de 1.38 eV). În timp ce laserii GaAs pot fi folosiți ca sursă de lumină pentru medii de propagare din fibră optică din sticlă, performanța lor este mai mică decât cea optimă deoarece fibrele pot avea o pierdere mare datorată absorbției. Curba de atenuare spectrală pentru fibra optică pură medie, în mod tipic pentru fibrele optice comerciale este aratată în figura 2.10. Vârful de absorbție este la valoarea de 9400 Armstrongi este cauzat de prezența ionilor OH în sticlă. Pentru a evita această absorbție, pot fi folosiți laseri cu heterojoncțiune, cu sufiecient aluminiu adăugat în regiunea activă pentru a schimba lungimea de undă a luminii emise la 8500 . Lungimea de undă a emisiei poate fi schimbată în raza de la 9200 la 7000 prin adăugare de aluminiu, ca în figura 2.11. Lungimi de undă mai mici sunt de neatins deoarece lărgimea benzii interzise a devine indirect mai mare pentru concentrații de aluminiu mai mari de 35% și, ca rezultat, eficiența cuantică internă este redusă foarte mult. Datorită compatibilității cu fibrele optice radiale și nu foarte scumpe disponibile, heterostructurile laser , emițând la 8500 sunt foarte folosite în ziua de azi la rețele locale și la alte aplicații de distanță mică

Fig 2.1016 Curba de atenuare spectrală tipică pentru fibrele optice din sticlă multimod comerciale

Fig 2.1117 Lungimea de undă de emisie de vârf a laserului ca funcție de concentrația de aluminiu în regiunea activă.

Pentru sisteme de telecomunicații la distanțe mari, laserulul GaAlAs a fost înlocuit de diodele laser GaInAsP operând la 1.3 sau 1.55 micrometri. În anii ’80, egalitatea fibrelor optice s-a Îmbunătățit continuu, datorită purificării mai eficiente. Ionii OH pot fi înlăturați, împreună cu alți contaminanți, pentru a produce fibre optice cu o atenuare minimă, apropriate de limitele împrăștierii Rayleigh. Curba de atenuare spectrală pentru o asemenea fibră este arătată în figura 2.12. Minimele în atenuare care au loc la 1.3 si 1.55 sunt importante deoarece dispersia de material pentru un nucleu bogat în siliciu este, teoretic, egală cu 0 la lungimi de unda de 1.27 și poate fi schimbată să ofere zero dispersie la 1.55 . Astfel, operarea la acele lungimi de undă oferă nu numai atenuare minimă, dar de asemenea și dispersie minimă. Desigur, pentru a obține dispersie minimă, și fibra monomod și fibra multimod cu indice gradat trebuie folosite astfel încât dispersia modală este evitată.

Fig 2.1218 Atenuarea într-o fibră optică cu salt de indice monomod conținând borosilicat clădit în jurul unui nucleu de fosfosilicat.

2.7.2. Lasere făcute din materiale cuaternare

Cum am descris anterior, este un avantaj distinct în a folosi lungimi de undă de aproximativ 1.3 sau 1.55 într-un sistem de fibră optică. Totuși, laserii nu pot emite lumini la acele lungimi de undă. Datorită acestei limitări, GaInAsP a devenit materialul preferat pentru lasere de uz în telecomunicații la mare distanță și transmisii de date. Banda interzisă a GaInAsP poate avea valori între 1.4 eV și 0.8 eV, corespondente lungimilor de undă de emisie de la 0.886 la 1.55 . Nepotrivirea interfețelor între straturile variate ale heterostructurii, care rezultă în centre deplasate care măresc mult absorbția și recombinarea non-radiativă, poate fi evitata printr-o alegere potrivită de concentrații ale elementelor constitutive. GaInAsP a fost demonstrat a fi un material eficient pentru a produce laseri care operează la lungimi de undă de 1.3 sau 1.55 .[4]

2.7.3. Laseri cu lungimi de undă mari

Semiconductori laser care opereaza în gama de lungimi de undă de 2-5 sunt de interes mare în sistemele optice de viitor implicând o pierdere mică de fibra de sticlă, și pentru analiza chimică a gazelor și monitorizarea poluării atmosferice. Laseri dubla-heterostructura (DH) în materiale variate au fost folosiți pentru a atinge emisii în această gamă de lungimi de undă. Se folosesc laseri DH pregătiți prin LPE în sistem InAsSbP/InAsbP, pe substrate InAs. Acești laseri emit la 3.2 , cu o densitate de vârf a curentului de pulsație de 4.5 la temperaturi de 78 K. Martinelli a produs lasere DH care emit la 2.55 in InGaAsP/InP. Densități de vârf de curent de 650 au fost obținute la 80 K.; și puteri de ieșire de câțiva miliwatti.

Materiale rare dopate II-VI au fost de asemenea folosite pentru a produce laseri cu emisie de lungimi mari de undă. De exemplu, Ebe a obținut emisii la lungimi de undă de 4 și 5.5 la 77 K în laseri DH PbEuTe. Densitatea de vârf de curent a fost de 0.5 . Aceste dispozitive pot fi, de asemenea operate la o temperatură ambient de 200 K cu o răcire termoelectrică. Diode laser GaInAsSb si PbSe au fost folosite de Sorokina și Vodopyanov.

2.8. Structuri heterojoncțiuni laser avansate

2.8.1. Laseri cu geometrie de bandă

Până acum, în discuțiile despre semiconductorii laser, a fost asumat tacit că lățimea laserului era mult mai mare decât grosimea stratului activ, astfel, confinarea optică se petrece doar într-una din direcțiile transversale, de obicei, perpendicular pe planul joncțiunii. Dacă latimea laserului este limitată în anumite forme pentru a produce o geometrie de bandă tipică de 5-25 lățime, dispozitivul va experimenta caracteristici de performanțe alterate. Cea mai importantă dintre acestea, este că densitatea de vârf a curentului va fi redusă datorita secțiunii de trecere mai mică disponibilă pentru fluxul de curent. Dacă lățimea benzii va fi de aproape 10 sau mai puțin, confinarea laterală va avea loc în modul fundamental de operare . Pasivizarea marginilor joncțiunii prin înlăturarea lor de pe marginea suprafeței slotului laserului reduce scurgerile de curent și mărește durata de viață a unui laser prin micșorarea degradărilor.

Marginile laterale ale laserului pot fi definite mascând marginea stratului oxid sau mascând bombardamentul de protoni, pentru a produce o rezistivitate mai mare prin semi-insularea regiunilor pe oricare parte a benzii. Un laser cu bandă planară poate fi format prin difuzie mascată sau mascând creșterea epitaxială

2.8.2. Laseri monomod

Multi semiconductori laser cu o cavitate mare oscilează cu o multitudine de moduri transversale și longitudinale. În multe aplicații, asta nu este de criticat. Totuși, când un grad mare de coerență de fază , sau dispersie minimă este necesar, ca în cazul comunicațiilor prin fibră optică la distanță foarte mare, laserii monomod au devenit o necesitate. Din fericire, geometria de bandă a structurilor laser discutate anterior sunt în general eficiente în stabilirea nu numai a unui singur mod transversal, dar și în stabilirea unui singur mod longitudinal, cât timp lățimea benzii este mai mică decât jumătatea lungimii de difuzie a purtătorilor(aproximativ 3 μm în GaAl As). Laserii cu benzi mai largi, de lățime până la 29 μm, vor oscila de asemenea în monomod. Totuși instabilitatea modului este observată de obicei, acompaniată de îndoituri în curba puterii de optice de iesire funcție de densitatea curentului, cum se observă și în figura 2.13. Asemenea îndoituri sunt nedorite în ele, deoparte față de orice considerație a instabilității modului, deoarece ele previn modulația liniară a luminii de ieșire a laserului. Instabilitatea modului și îndoiturile din curent se cred că apar în laserii cu geometrie de bandă mare datorită locațiilor reducerilor densităților de purtători de profil cauzate de consumarea purtătorilor la vârful profilului modului optic. Dacă lățimea benzii este facută să fie mai mică decât două lungimi de difuzie a purtătorilor minoritari, purtătorii pot să facă difuzie la marginile benzii, unde intensitatea optică este mică, pentru a-i înlocui pe cei consumați în procesul de emisie stimulată. Prin urmare, instabilitatea modului și îndoiturile de curent nu sunt observate în asemenea laseri.

Fig 2.1319 Caracteristica putere de ieșire – curent a unui laser cu geometrie de bandă cu instabilitate a modului de propagare

Laseri monomod stabili pot fi produși prin ghidarea câștigului cum am descris mai sus sau fabricând o structura de ghid de undă bidimensională, bazându-ne pe diferențele de indici de refracție care confină modul optic. De exemplu, în laserii cu geometrie de bandă cofinarea optica în direcția transversală este produsă de variația părții imaginare a constantei dielectrice, care este legată de indicele de refracție. Prin urmare, reducerea profilelor densității de purtători (efectul de ardere de goluri), care cauzează saturarea câștigului, afectează puternic confinarea optică. În lasere care posedă o structura ghid de undă bidimensională, saturația câștigului nu afectează confinarea optică. Prin urmare, oscilații stabile monomod pot fi obținute pentru lățimi de benzi în exces, de 2 ori mai mari față de lungimea de difuzie a purtătorilor. În plus, la heterostructura îngropată, alte structuri ghid de unda bidimensionale pot fi folosite pentru a produce laseri monomod.[2]

2.8.3. Structuri lase integrate

Structurile de diode laser care au fost descrise în părțile anterioare sunt potrivite pentru integrări monolitice cu ghiduri de undă optice și alte elemente ale unui circuit optic integrat cu dimensiunile și compoziția de material a acestora. Totuși, există patru probleme semnificative cu care trebuie să avem de-a face în designul oricărui/oricărei laser/structuri de ghid de undă integrat/ă monolitic. Trebuie să fie o cuplare eficientă a luminii de la laser la ghid, și trebuie să fie niște moduri de a furniza feedback-ul optic de care are laserul nevoie. De asemenea, pierderile prin absorbție ale ghidului de undă trebuie să fie mici la lungimea de undă emisă. În final, unele prevederi trebuie făcute pentru contactele electrice. O structură, care oferă soluții la aceste probleme, demonstrată de Hurwitz, este aratată în figura 2.14. Regiunea activă a laserului este dopată cu atomi de Si acceptori, astfel, pentru a schimba lungimea de undă a luminii emise a GaAs la 1 μm care nu este absorbită puternic în ghidul de undă GaAs. Platoul rectangular al laserului, de 300 μm lungime și 45-90 μm lățime, este produs prin atacuri chimice mascate ori creșterea epitaxială a straturilor GaAlAs pe substrat. Orientarea măștii rectangulare prin planurile de clivaj care sunt perpendiculare pe suprafața plachetelor rezultă în fețe de capăt paralele pentru a forma oglinzile cavității Fabry-Perot. Straturile de SiO2 de acoperire a fețelor de capăt sunt necesare deoarece diferența de indice la interfața laser-ghid de undă ar putea fi insuficientă pentru a oferi o reflexie adecvată. Dupa depozitarea oxidului de siliciu, ghidul de unda GaAs a fost crescut prin eptaxie pe bază de vapori. Contactele electrice au fost făcute în vârful suprafeței p+ și a substratului n+. Densitățile de curent de vârf la temperatura camerei de nivelul de au fost observate pentru acești laseri.

Fig 2.1420 O structură laser/ghid de undă monolistică în GaAlAs

Atacurile chimice mascate a fațetelor laserului au fost de asemenea folosite de Koszi pentru a produce un laser GaInAsP integrat automat cu un monitor fotodetector arătat în figura 2.15. Laserul în acel caz a fost o heterostructură îngropată, un dispozitiv cu geometrie de bandă care emite la lungimi de undă de 1.3 μm. Șanțul de izolație dintre laser și fotodiodă a fost produs mascând cu SiO2, configurat prin fotolitografie standard, și atacând cu alcool metilic și soluție de brom. Curentul de vârf și eficiența cuantică externă a laserului au fost măsurate în gama și . Valori comparabile pentru lasere similare cu fațete scindate au fost atribuite unei mici înclinări în fațetele laserului. Cu toate acestea, și a laserelor cu fațete scindate au fost rezonabile pentru uz în circuitele optice integrate. Un fotocurent de 15 nA pe mW de putere optică de ieșire laser a fost obținut din fotodiodă, și răspunsul a fost liniar. De vreme ce emisia de lumină a fost în aer, pierderile datorate absorbției nu au fost o problemă.

Fig 2.1521 Un laser GaInAsP integrat monolitic și fotodiodă monitor

O altă tehnică de a prouce diode laser integrate monolitic cu fațete scindate a fost dezvoltată de Antreasyn. Această metodă , numita „stop scindare” este ilustrată în figura 2.16, unde semnele groase de linie întunecate marchează locația cavității laserului. Golurile gravate în substrate sunt angajate în oprirea propagării în planul de scindare, producând fațete scindate care au o calitate comparabilă cu convenționalele fațete laser scindate. Pentru a produce un laser InGaAsP cu oprire de scindare pe un substrat InP, agenții de decapare și acid clorhidric concentrat au fost folosiți pentru a decapa selectiv fiecare strat de InGaAsP și, respectiv InP. Laseri cu geometrie de bandă și heterostructură îngropată fabricați prin această metodă emit la 1.3 μm și au curenți de vârf de 20 mA și eficiențe cuantice diferențiale de 60%. Randamentul în procesul de scindare a fost de 77%.

Fig 2.1622 Diode laser cu fațete stop-scindare

De obicei, nu este dificil în a face contactele electrice la zonele p și n ale joncțiunii unei diode laser discrete, dar când dioda este integrată monolitic într-un circuit optic integrat este posibil să nu se poată obțină o cale de retur pentru curentul prin substrat(de exemplu, când un substrat semi insulat este folosit). În asemenea cazuri un lsaer cu benzi de joncțiune transversală(TJS) este necesar. Laserul TJS, arătat în figura 2.17, prezintă o joncțiune transversală care conține și contactele electrice n și p deasupra suprafeței. Un laser dublă heterostructură cu geometrie de bandă este produs în straturi de tip n crescute într-un substrat cu semi-insulare. Apoi, difuzie mascată cu zinc este folosită pentru a produce joncțiuni laterale p-n. Laserii TJS GaAlAs fabricați prin creștere MOCVD au experimentat curenți de vârf de 25 mA și eficiență cuantică externă diferențială de 40%. Un laser TJS a fost produs în GaInAsP pe un substrat semi-insular InP. Curentul de vârf de 10 mA și puterea de ieșire de 10 mW au fost atinse. Datorită configurației suprafeței electrozilor laserii TJS sunt potriviți pentru uz la frecvențe de modulație de domeniul microundelor, cu semnalul de modulație fiind introdus în laser peste o linie depozitată direct într-o suprafață de substrat GaAs sau InP semi-insulat.

Fig 2.1723 Laser TJS

O abordare diferită a integrării laser/ghid de undă a fost demonstrată de Kawabe. Un laser pompat optic CdSeS a fost cuplat la un ghid de undă din același material făcând un tunel printr-un strat de confinare de CdS, ca în figura 2.18. Pomparea optică prin geometria de bandă cu un laser azotic peste o valoare de vârf de 70 kW/cm2 a produs laser în CdSeS. Un singur mod optic transversal a fost observat în laser și acest mod a fost cuplat în ghidul de undă pentru o grosime a stratului de confinare de 2.5-6 μm. Acest tip de cuplu, care de asemenea, poate fi folosit pentru a cupla diode laser la un ghid de undă este numit cuplare prin undă evanescentă.

Fig 2.1824 O structură laser/ghid de undă monolitică în CdSeS

2.9. Fiabilitatea

O caracteristică importantă a diodelor laser care afectează din plin designul de sistem, este fiabilitatea dispozitivului. Diodele laser sunt supuse unui stres enorm în termeni de curent și forțe de câmp optic care există in ele, ele experimentând degradare treptată a caracteristicilor lor de operare odată cu îmbătrânirea, la fel de bine fiind subiectul unor eșecuri catastrofice sub anumite condiții.

2.9.1. Eșecuri catastrofice

Diodele laser sunt subiectul eșecurilor catastrofale care au loc atunci când densitatea puterii optice la fațetele oglinzilor atinge un anumit nivel critic, în general, acceptat în raza de 2 la pentru laseri GaAlAs și putin mai mare pentru dispozitive GaInAsP. Deteriorările materiale, în forma de gropi și proeminențe, apar de obicei întâi aproape de centrul fațetei, unde forța câmpului optic este maximă. Densitatea de putere de vârf unde eșecul catastrofic are loc variază pentru laseri diferiți, datorită faptului că prezența defectelor de crețtere în suprafața fațetei îmbunătățeste formarea deteriorărilor viitoare. Deteriorările catastrofice pot fi reduse acoperind fațetele laserului cu un dielectic precum dioxid de siliciu, azotat de siliciu sau oxid de aluminiu, fiind potriviți pentru GaAs datorită coeficienților lor de expansiune termală și ca au o mare conductibilitate termică. Operând laserul pe bază de impulsuri, decât pe bază de curent continuu, de asemenea rezultă în deteriorări catastrofice.

Deteriorările catastrofice pot, de asemenea, să fie evitate prin operarea laserului sub valorile de vârf. Totuși, trebuie amintit că tranziții de doar cateva microsecunde sunt suficiente pentru a distruge laserul. Prin urmare, tranzițiile de pornire trebuie filtrate în operare continuă și sunetul trebuie evitat în aplicații de impulsuri. În plus, filtrarea puterii de alimentare trebuie să fie adecvată pentru a absorbi orice tranziție care are loc în linie.

2.9.2. Degradare graduală

Problema degradării graduale, unde densitatea de vârf a curentului laserului crește și eficiența cuantică diferențială scade când dispozitivul este folosit, a fost atât de severă încât în primele diode laser, durata de viață a unui dispozitiv era doar de la 1 la 100 de ore, și se credea că în practică, un dispozitiv fiabil nu se putea fabrica. Totuși, lucrul metodic în diferite laboratoare în cativa ani a dus la identificarea și eliminarea multor mecanisme de degradare, astfel încât laserele cu durată de viață de un milion de ore sunt produse astazi. Degradarea graduală a diodelor laser rezultă din formarea defectelor în regiunea activă care se comportă ca centre de recombinare non-radiative. [4]

Capitolul 3

Rezultate experimentale

3.1. Determinarea caracteristicilor Curent – Tensiune și Putere – Curent ai unui LED

Fig 3.125 Montajul pentru măsurarea caracteristicilor curent-tensiune(Id (Vd)) și putere-curent(PLED(Id)).

Se montează modulul LED si capul de măsurare, (S122A), al powermetrului optic, în câte un suport cu trei șuruburi și se fixează pe placa metalică cât mai aproape unul de celalalt, ca în Fig. 3.1. Folosind hârtia semitransparentă se verifică alinierea capului de măsurare cu LEDul, astfel încât fasciculul optic emis de LED sa fie cuprins în suprafața activă a capului powermetrului. Folosind tastele MENU, MEASURENTS și ▲, ▼ de pe consola S110 se stabilește lungimea de undă λ = 700nm. Cu tasta RANGE se pot stabili valori ale puterii de 10 μW, 100 μW, 1000 μW, 10 mW, 100mW. Se stabilește valoarea puterii scalei de măsurare corespunzătoare puterii emise de LEDul măsurat. În schema montajului experimental din Fig. 3.1 , este prezentată și schema electrică principială de măsurare a tensiunii de alimentare a modulului LED și a curentului prin acesta. Multimetrul DIGITALMULTIMETER se folosește pentru măsurarea tensiunii de alimentare a modulului LED și a curentului prin acesta. Modulul LED se alimentează din secțiunea surselor din aparatul TEK 515. Valorile tensiunii V+[V] se stabilesc din butoanele de reglare BRUT și FIN, conform tabelului 3.1. Corespunzător valorilor tensiunii V+ se măsoară Id[mA] și se înscriu în tabel. Se completează apoi tabelul, cu valorile calculate, ale Vd[mV] folosind relația de mai jos

, unde Rd este de 114 .

Tabelul 3.12 Caracteristicile LED-ului Id (Vd) si PLED(Id)

Cu valorile măsurate și calculate, din tabel se trasează caracteristicile Id (Vd) si PLED(Id).

Fig 3.226 Curba curent ca funcție de tensiune Id (Vd)

Fig 3.327 Curba putere funcșie de intensitate PLED(Id)

3.2. Determinarea caracteristicilor intensitate funcție de tensiune( IDL (VDL)) și putere funcție de curent (PDL (IDL)) ai diodei laser

Se realizează montajul experimental din figura 3.4. Se completează tabelul cu valorile măsurate. Pentru determinarea caracteristicilor DL se procedează ca la LED

Fig 3.428 Schema montajului experimental IDL (VDL) și PDL (IDL)

Tabelul 3.23 Caracteristicile IDL (VDL) și PDL (IDL)

Fig 3.529 Curba curent funcție de tensiune IDL (VDL)

Fig 3.630 Curba putere funcție de curent PDL (IDL)

3.3. Masurarea divergenței fasciculului laser.

Se realizează montajul experimental din figura 3.7. Se plasează ecranul direct în fața sistemului optic de colimare al laserului, astfel încât fasciculul să cadă perpendicular pe ecran.

Se dispune ecranul în câteva poziții la diferite distanțe, începând cu cea mai apropiată de laser și terminând cu cea mai îndepărtată – câțiva metri fata de laser – (cu cât mai departe cu atât mai bine).

Se stabilește distanța L, între ecran și laser conform tabelelor 3.3, 3.4 si 3.5, (folosind ruleta), se măsoară diametrul D, al fasciculului pe ecran și se completează tabelul.

Având în vedere că radiația incidentă variază cu distanța după legea (1/L)2 iar transversal pe raza secțiunii transversale, aceasta scade exponențial de la centru spre margine (forma gauss), determinarea cu precizie a diametrului fasciculului este dificilă.

O măsurătoare mai precisă se obține prin scăderea diametrului fasciculului la ieșirea din laser (d), din valoarea măsurată D, notând noua valoare cu D.

Se determină unghiul de divergență folosind relațiile aproximative.

și se completează tabelele 3.3, 3.4 si 3.5.

Se vor face masuratori diferite pentru 3 tipuri de laseri (laserul Pointer, laserul DPSS si laserul HeNe). Se trasează graficul de variație a diametrului fasciculului pe ecran, D [mm], în funcție de distanța L [mm] pentru fiecare dintre cei 3 laseri.

Fig 3.731 Montajul experimental pentru masurarea divergentei fasciculului laser

Tabelul 3.34 Divergența fasciculului laser pentru laserul Pointer(d=2.5 mm)

Tabelul 3.45 Divergența fasciculului laser pentru laserul DPSS(d=3 mm)

Tabelul 3.56 Divergența fasciculului laser pentru laserul HeNe(d=2.2 mm)

Fig 3.832 Graficul diametrului fasciculului de lumină de pe ecran în funcție de distanța dintre laser și ecran (D*(L)) pentru laserul Pointer

Figura 3.933 Graficul diametrului fasciculului de lumină de pe ecran în funcție de distanța dintre laser și ecran (D*(L)) pentru laserul DPSS

Fig 3.1034 Graficul diametrului fasciculului de lumină de pe ecran în funcție de distanța dintre laser și ecran (D*(L)) pentru laserul HeNe

Concluzii

Din punct de vedere al divergenței, laserul DPSS este cel mai bun, deoarece el are cea mai mica divergență comparativ cu laserii HeNe și Pointer. Divergența este un factor foarte important de luat în considerare la caracteristicile laserilor, deoarece este exact proprietatea care îi definește (se știe că laserii au divergență foarte mică).

S-a observat și experimental că led-urile sunt instrumente de iluminat mult superioare formelor de iluminat tradiționale. Cum era de asteptat, laserii au produs o putere mai mare decat led-urile, însă este bine să se evite contactul lor cu ochiul, deoarece poate avea loc chiar și orbirea in cazul in care puterea laserului este suficient de mare

Bibliografie

[1]-http://ro.wikipedia.org/wiki/LED

[2]-Physics of Semiconductor Devices, S.M Sze and Kwok Ng

[3]-http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode

[4]-Integrated Optics, Hunsperger

[5]- en.wikipedia.org/wiki/Laser