La historia del desarrollo de los láseres semiconductores
Los láseres semiconductores, al igual que los diodos de cristal, se basan en las características de unión p-n de los materiales, y su apariencia es similar a los primeros. Por lo tanto, los láseres semiconductores suelen denominarse láseres de diodo o diodos láser. Los primeros diodos láser tenían muchas limitaciones prácticas. Por ejemplo, sólo pueden funcionar con pulsos de microsegundos a temperaturas criogénicas de 77K. Los Laboratorios Bell y el Instituto Ioffe de Física de Leningrado (San Petersburgo) tardaron más de ocho años en crear un dispositivo continuo que pueda funcionar a temperatura ambiente. Sin embargo, los láseres semiconductores fiables no aparecieron hasta mediados de los años 1970.
Los láseres semiconductores son muy pequeños, los más pequeños son del tamaño de un grano de arroz. La longitud de onda de trabajo depende del material del láser, generalmente de 0,6 a 1,55 micrones. Debido a las necesidades de diversas aplicaciones, se están desarrollando dispositivos de longitud de onda más corta. Se informa que los láseres que utilizan compuestos de elementos de valencia ⅱ ~ ⅳ como ZnSe han logrado una salida de 0,46 micrones a bajas temperaturas, y la potencia de salida de dispositivos continuos a temperatura ambiente con una longitud de onda de 0,50 ~ 0,51 micrones ha alcanzado más de 10 MW. Pero hasta el momento no se ha comercializado.
La comunicación por fibra óptica es el campo de aplicación previsible más importante de los láseres semiconductores. Por un lado, existen comunicaciones submarinas de fibra óptica de larga distancia a nivel mundial y, por otro, diversas redes regionales. Esto último incluye redes informáticas de alta velocidad, sistemas de aviónica, redes de comunicaciones sanitarias, redes de circuito cerrado de televisión de alta definición, etc. Pero por sí solos, los reproductores de CD constituyen el mayor mercado para este tipo de dispositivos. Otras aplicaciones incluyen impresión de alta velocidad, comunicaciones ópticas en espacio libre, fuentes de bombas láser de estado sólido, apuntamiento láser y diversas aplicaciones médicas.
A principios de la década de 1960, los láseres semiconductores eran láseres de homounión, fabricados a partir de diodos de unión pn fabricados de un solo material. Bajo una corriente positiva grande, los electrones se inyectan continuamente en la región P y los huecos se inyectan continuamente en la región N. Por lo tanto, la inversión de la distribución de portadores se logra en la región de agotamiento de la unión pn original, porque los electrones migran más rápido que los huecos, se produce radiación y recombinación en la región activa, se emite fluorescencia y se produce luz láser bajo ciertas condiciones. La segunda etapa en el desarrollo de los láseres semiconductores son los láseres semiconductores de heteroestructura, que se componen de dos capas delgadas de materiales semiconductores con diferentes bandas prohibidas, como GaAs GaAs y GaAlAs. El primero fue el láser de heteroestructura única (1969). El láser de inyección de heterounión única (SHLD) utiliza la barrera proporcionada por la heteroestructura para confinar los electrones inyectados en la región P de la unión GaAsP-N, reduciendo así la densidad de corriente umbral. La relación numérica es la siguiente.
En 1970 se lanzó un láser de longitud de onda 9000: Aring: láser de doble heterounión GaAs-GaAlAs (arseniuro de galio-arseniuro de galio y aluminio) que funcionaba de forma continua a temperatura ambiente. El nacimiento de los láseres de doble heterounión (DHL) ha ampliado continuamente el ancho de banda disponible y ha mejorado gradualmente el ancho de línea y el rendimiento de sintonización. Su característica estructural es que crece una capa delgada de material sin dopar con una estrecha brecha de energía entre los materiales tipo P y tipo N, por lo que los portadores inyectados se limitan a esta área (área activa), por lo que se puede inyectar menos corriente. la inversión del número de transportista. Entre los láseres semiconductores, la tecnología de láser de diodo de GaAs inyectado eléctricamente con doble heteroestructura está madura, tiene buen rendimiento y se utiliza ampliamente.
Con el desarrollo de los láseres de heterounión, se cree que si las películas ultrafinas (
Las características estructurales de los QWL son que sus regiones activas están compuestas de pozos potenciales múltiples o únicos, con un ancho de aproximadamente 100 . Debido a que el ancho del pozo potencial es menor que la longitud de onda de la onda de De Broglie de los electrones en el material, se produce un efecto cuántico y la banda de energía continua se divide en subniveles. favorece especialmente el llenado eficiente de los portadores y la corriente de lectura del láser requerida es particularmente baja. En la construcción de láseres semiconductores se utilizan principalmente pozos cuánticos individuales y múltiples.
La estructura de un láser de pozo cuántico único (SQW) es básicamente un láser de doble heterounión (DH) común con un espesor de capa activa inferior a unas pocas decenas de nanómetros. Normalmente, las estructuras periódicas con gruesas barreras de potencial, tales que las funciones de onda de electrones en pozos adyacentes no se superponen, se denominan pozos cuánticos múltiples (MQW). La potencia de salida única de los láseres de pozo cuántico supera ahora 1W, y la densidad de potencia que soporta ha alcanzado más de 1 OMW/cm3. Por lo tanto, para obtener una mayor producción, cuando el láser de pozo cuántico adopta una estructura de integración de matriz, la potencia de salida puede alcanzar más de 100 W. Los láseres semiconductores de alta potencia (especialmente los dispositivos de matriz) se están desarrollando rápidamente y se han lanzado productos con potencias de salida continua de 5 W y 10 W. Matrices láser de 20W y 30W. Matriz de láser semiconductor pulsado con potencia de salida máxima de 50 W. También están disponibles comercialmente 120W y 1500W. A4. La matriz bidimensional de 5 cm × 9 cm con una potencia de salida máxima superior a 45 kW y la matriz bidimensional con una potencia de salida máxima de 350 kW también han desaparecido. Desde finales de la década de 1970, los láseres semiconductores se han desarrollado obviamente en dos direcciones: una son los láseres de información utilizados para transmitir información y la otra son los láseres de potencia utilizados para aumentar la potencia óptica. Impulsados por aplicaciones como los láseres de estado sólido bombeados, los láseres semiconductores de alta potencia (potencia de salida continua superior a 100 W y potencia de salida de pulso superior a 5 W, ambos pueden denominarse láseres semiconductores de alta potencia) lograron avances en la década de 1990, marcada por la producción de Láseres semiconductores La potencia ha aumentado significativamente. Se han comercializado láseres semiconductores de alta potencia de nivel de kilovatios extranjeros y la potencia de los dispositivos de muestra nacionales ha alcanzado los 600 W [61]. Desde la perspectiva de la expansión de la banda láser, primero los láseres semiconductores infrarrojos y luego los láseres semiconductores rojos de 670 nm han entrado en una gran cantidad de aplicaciones. Luego surgieron longitudes de onda de 650 nm y 635 nm y se desarrollaron con éxito láseres semiconductores de luz azul-verde y azul. También se están desarrollando láseres semiconductores ultravioleta de 10 mw o incluso ultravioleta. [a] Los láseres semiconductores desarrollados para adaptarse a diversas aplicaciones incluyen láseres semiconductores sintonizables. Los láseres semiconductores excitados por haz de electrones y los láseres de retroalimentación distribuida (DFB-LD), los láseres de reflexión de Bragg distribuidos (DBR-LD) y los láseres de guía de ondas duales integrados son las mejores fuentes de luz para los "circuitos ópticos integrados". Además, existen láseres sin aluminio de alta potencia (eliminando el aluminio de los láseres semiconductores para obtener lámparas con mayor potencia de salida, mayor vida útil y menor costo), láseres semiconductores de infrarrojo medio, láseres de cascada cuántica, etc. Los láseres semiconductores sintonizables pueden modular fácilmente el haz de salida cambiando la longitud de onda del láser mediante la aplicación de un campo eléctrico externo, campo magnético, temperatura, presión, depósito de dopaje, etc. Con el desarrollo de las comunicaciones por fibra óptica y los circuitos ópticos integrados, han surgido los láseres semiconductores de retroalimentación distribuida. Fue desarrollado con éxito en 1991 y logró plenamente su funcionamiento en modo longitudinal único. Abre enormes perspectivas de aplicación en el campo de la tecnología coherente. Es un láser de ondas viajeras sin cavidades. La oscilación del láser la proporciona el acoplamiento óptico formado por la estructura periódica (o rejilla de difracción), y la retroalimentación no la proporciona la cavidad resonante formada por el plano de escisión. Su ventaja es que es fácil obtener una salida monomodo de frecuencia única y es fácil de acoplar con cables ópticos, moduladores, etc. , especialmente indicado como fuente de luz para circuitos de luz integrados.
Los láseres semiconductores inyectados con monopolos utilizan transiciones ópticas de electrones calientes entre niveles de subenergía en la banda de conducción (o banda de valencia) para lograr la emisión láser. Naturalmente, para que existan subniveles o subbandas en las bandas de conducción y valencia, se requiere una estructura de pozo cuántico. El láser de inyección unipolar puede obtener una gran potencia óptica y es un láser semiconductor con excelente eficiencia y respuesta súper rápida. Esto también beneficia el desarrollo de láseres basados en silicio y láseres de longitud de onda corta. La invención de los láseres de cascada cuántica ha simplificado enormemente la forma de generar luz láser de longitudes de onda específicas en un amplio rango de longitudes de onda desde el infrarrojo medio hasta el infrarrojo lejano. Solo utiliza el mismo material y puede obtener luz láser de varias longitudes de onda dentro del rango de longitud de onda anterior dependiendo del grosor de la capa. En comparación con los láseres semiconductores tradicionales, este láser no requiere un sistema de refrigeración. Puede funcionar de manera estable a temperatura ambiente. La investigación sobre láseres de baja dimensión (alambre cuántico y punto cuántico) también se está desarrollando rápidamente. El láser de línea cuántica (Qw) de longitud de onda larga GaInAsP/Inp en Okayama, Japón, alcanza Im =6. a, l =37A/cm2, alta eficiencia cuántica en condiciones de trabajo de 9OkCW.
Muchas instituciones de investigación científica están desarrollando láseres de puntos cuánticos (QD) autoensamblados, y el QDLD tiene una densidad muy alta. Alta uniformidad y alta potencia de transmisión. Debido a las necesidades reales, el desarrollo de láseres semiconductores se centra principalmente en reducir una amplia densidad de corriente, extender la vida útil, lograr un funcionamiento continuo a temperatura ambiente, obtener modo único, frecuencia única, ancho de línea estrecho y desarrollar dispositivos con diferentes longitudes de onda láser. Los láseres de emisión superficial (SEL) aparecieron en la década de 1990. Ya en 1977 se propuso el llamado láser de emisión superficial y el primer dispositivo se fabricó en 1979. En 1987, fabricaron un láser de emisión de superficie de 780 nm bombeado ópticamente 10998989989996. A temperatura ambiente, el láser de emisión de superficie alcanzó una corriente de red de submiliamperios, una potencia de salida de 8 mW y una eficiencia de conversión de 11 [2]. En cuanto al láser semiconductor mencionado anteriormente, ya sea una cavidad F-P (Fabry-Perot) o una cavidad DBR (reflexión distribuida de Bragg), la salida del láser es en dirección horizontal, generalmente denominada estructura de cavidad horizontal, y emite luz en la dirección paralela al sustrato. Los láseres de emisión superficial forman una cavidad FP vertical al recubrir películas reflectantes en las superficies superior e inferior del chip, y la salida de luz se emite en una dirección perpendicular al sustrato. El láser semiconductor de emisión de superficie de cavidad vertical (VCSELS) es un nuevo tipo de láser de pozo cuántico, que tiene las características de corriente de ancho de láser bajo, buena direccionalidad de la luz de salida y alta eficiencia de acoplamiento. Puede obtener una salida de potencia óptica bastante fuerte a través de la distribución de la matriz. Además, los láseres que emiten superficies de cavidad vertical también tienen dos modos de polarización transversal inestable, a saber, el modo X y el modo Y. La investigación sobre la conmutación de polarización y la biestabilidad de la polarización ha entrado en una nueva etapa. Las personas pueden controlar el estado de polarización cambiando factores como la retroalimentación óptica, la retroalimentación fotoeléctrica, la inyección de luz y la corriente de inyección, y lograr nuevos avances en los campos de los interruptores ópticos y los dispositivos lógicos ópticos. A finales de la década de 1990, los láseres de emisión superficial y los láseres de emisión superficial de cavidad vertical se desarrollaron rápidamente y se han considerado muchas aplicaciones en optoelectrónica superparalela. Los dispositivos de 980 nm, 850 nm y 780 nm ya se utilizan en la práctica en sistemas ópticos. Los láseres de cavidad vertical que emiten superficie ya se utilizan en redes de alta velocidad como Gigabit Ethernet. Para satisfacer las necesidades de transmisión de información de banda ancha, procesamiento de información de alta velocidad, gran capacidad de almacenamiento de información y pequeños equipos militares de alta precisión en el siglo XXI, la tendencia de desarrollo de los láseres semiconductores se centra principalmente en LD de banda ancha de alta velocidad, alta- ID de potencia, LD de longitud de onda corta, láseres de línea de cuenca y de puntos cuánticos, LD de infrarrojo medio y otros aspectos, y ha logrado una serie de resultados importantes en estos aspectos.