Источники оптического импульсного когерентного излучения для информационных систем III презентация

Содержание

Простейший полупроводниковый лазер Толщина l определяется через постоянную диффузии D электронов и временем рекомбинации tau: для GaAs D = 10 см2/с и tau = 10-9 секунд толщина l~ 1 мкм. Только

Слайд 1Источники оптического импульсного когерентного излучения для информационных систем III
Полупроводниковые лазеры
Квантово-размерные структуры
Вертикально-излучающие

лазеры
Кремниевая фотоника

Слайд 2Простейший полупроводниковый лазер
Толщина l определяется через постоянную диффузии D электронов и

временем рекомбинации tau: для GaAs D = 10 см2/с и tau = 10-9 секунд толщина l~ 1 мкм. Только в этой узкой полосе возможны усиление света и генерация лазерного излучения. n1 - плотность электронов в нелегированном пп.

Слайд 3(а) Низкое напряжение дает только слабое световое излучение, б) более высокое

напряжение генерирует излучение большей интенсивности. (Разность уровней Ферми определяется посредством внешнего напряжения U: eU = Fc — Fv

Генерация излучения происходит в диодном лазере посредством рекомбинации электронов и дырок при подаче напряжения U в направлении пропускания. Это напряжение уменьшает разность потенциалов между зонами п- и р-типа.
Если напряжение U укладывается в порядок величин ширины запрещенной зоны (eU~Eg) в направлении пропускания диода, то разность потенциалов между двумя энергетическими зонами сокращается.


Слайд 4Роберт
Холл и
первый
GaAs
лазер
On the morning of Sunday, September 16, 1962, Robert Hall’s

team at General Electric Research Labs demonstrated infrared emission from a gallium arsenide (GaAs) semiconductor with a "strange" interference pattern implying coherent laser light—the first semiconductor laser was born.  https://youtu.be/3B1P9ERCaxg

Слайд 5Coherent Light Emission From GaAs Junctions
R. N. Hall, G. E. Fenner,

J. D. Kingsley, T. J. Soltys, and R. O. Carlson
Phys. Rev. Lett. 9, 366 (1962) – Published 1 November 1962

Структура пучка на
расстоянии 5 см от
p-n перехода выше
порога генерации


Слайд 6Coherent infrared radiation has been observed
from forward biased GaAs p -n

junctions. Evidence
for this behavior is based upon the sharply
beamed radiation pattern of the emitted light, upon
the observation of a threshold current beyond which
the intensity of the beam increases abruptly, and
upon the pronounced narrowing of the spectral distribution
of this beam beyond threshold. The stimulated
emission is believed to occur as the result
of transitions between states of equal wave number
in the conduction and valence bands.
Several requirements must be fulfilled' in order
that such stimulated emission can be observed:
(a) The electron and hole populations within the
active region must be large enough that their quasi-
Fermi levels are separated by an energy greater
than that of the radiation; (b) losses due to absorption
by other processes must be small relative to
the gain produced by stimulated emission; and
(c) the active region must be contained within a
cavity having a resonance which falls in the spectral
range within which stimulated emission is possible.

Слайд 7Простейший полупроводниковый лазер
Показатель преломления GaAs составляет: n = 3,6, коэффициент отражения:

R = [ (n — 1)/(n + 1) ]2 = 0,32. Дополнительное зеркальное покрытие в данном случае не обязательно, усиления здесь и так вполне достаточно.

Слайд 9
Зависимость энергии запрещенной зоны от
постоянной кристаллической решетки
двойных соединений AIII-BV и

их растворов

Слайд 10Схемы лазерных гетероструктур на основе твердых растворов AlAs-GaAs (x1, x2, x3

– значения x в формуле твердого раствора Ga1-xAlxAs). а — простой р-n гетеропереход; б—односторонняя гетероструктура с р-n переходом в узкозонном материале и р — р -гетеропереходом, создающим потенциальный барьер для инжектируемых электронов; в — двусторонняя гетероструктура с р — р- и р — n -гетеро­переходами; г — двусторонняя гетероструктура с р — n -переходом в узкозонном материале и двумя гетеропереходами; д—гетероструктура с раздельными электронным и оптическим ограничениями. Под гетероструктурами приведены упрощенные графики пространственного изменения ширины запрещенной зоны

Слайд 11Зависимость энергии запрещенной зоны от
постоянной кристаллической решетки
двойных соединений и их

растворов

Слайд 12Полупроводниковые лазеры
с гетероструктурами


Слайд 14Волноводные свойства гетероструктур


Слайд 15Полупроводники, используемые в полупроводниковых лазерах, и спектральные диапазоны излучения


Слайд 17Типы полупроводниковых лазеров
лазерные диоды с одной поперечной модой,
волноводные лазеры

ребристой структуры (англ. ridge wave guide laser),
трапецеидальные усилители (англ. tapered amplifier),
лазеры с обратной связью (DFB= англ. distributed feedback laser),
лазеры с отражателем Брэгга (DBR = англ. distributed Bragg reflector laser),
широкополосные лазеры,
одномерные лазерные матрицы (англ. bar);
двухмерные лазерные матрицы (англ. stack)
лазеры с поверхностным излучением и вертикальным резонатором (VCSEL — = англ. vertical cavity surface emitting laser).

Слайд 18Гетеролазер с полосковым контактом
Гетеролазер с полосковым контактом после обработки пучком протонов



Слайд 19Оптическая схема считывания информации в CD-ROM


Слайд 20Применявшаяся в первых LPU однолучевая схема довольно скоро была практически полностью

вытеснена трехлучевой.

Слайд 21Локальная (побитовая) запись

S~(λ/А)2
λ - длина волны излучения
А – числовая апертура

(A=n×sin Θ)

Слайд 22Лазерный видеодиск и CD-диск


Слайд 24Сравнительный анализ CD и DVD


Слайд 25Геометрия и плотность записи на CD, DVD и Blu-Ray дисках


Слайд 26Структурные типы DVD


Слайд 27Структура DVD-дисков


Слайд 28Запись информации


Слайд 29Стирание данных


Слайд 30Механизм записи


Слайд 31Метод Чохральского
Обычно скорость роста составляет несколько мм в минуту, а

вращение обеспечивает получение кристаллов цилиндрической формы. Кремниевые слитки, изготавливаемые таким образом, имеют теперь диаметр больше 30 см.
Монокристаллы GaAs и фосфида индия (InP) обычно выращивают методом Чохральского, но расплав изолируется от воздуха слоем расплавленного оксида бора для того, чтобы предотвратить утечку летучих паров аниона.

Слайд 32 Химическая газофазная эпитаксия
Эпитаксией называется процесс наращивания монокристаллических слоев на
подложку, при

котором кристаллическая ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки.
Для обеспечения высокого качества кристаллической структуры тонкого верхнего слоя, его кристаллическая структура должна быть сходной или идентичной со структурой подложки, а постоянные их решеток должны быть как можно ближе друг к другу, чтобы свести к минимуму деформацию. При этом атомы, образующие тонкий слой, будут стремиться к образованию монокристалла с той же кристаллографической ориентацией, как и у подложки. В таких случаях говорят, что результирующая пленка наносится на подложку эпитаксиально. Нанесение пленки монокристалла с тем же химическим составом называется гомоэпитаксией (например, нанесение пленки Si на объемный кристалл Si). Если пленка наносится на подложку со сходной структурой, но с другим химическим составом, то процесс роста называется гетеро-эпитаксией (например, рост пленки GaAs на подложке Si).

Слайд 33 Схематическое изображение установки для металлоорганической газофазной эпитаксии (а).
Двупоточная ГФЭМОС-установка,

предложенная Накамурой с соавторами для роста GaN (б).
Схема газовых потоков вблизи поверхности подложки (в)

Слайд 34Молекулярно-пучковая эпитаксия
Схематическое изображение эффузионной ячейки (ячейки Кнудсена)


Слайд 35Потенциальная яма возникает, когда слой GaAs выращивается между двумя более широкозонными

барьерными слоями AlGaAs. Когда ширина слоя ямы достаточно мала, движение электронов в квантовой яме становится квантованным в направлении роста, при этом разрешенные энергетические уровни, соответствующие движению в этом направлении, становятся дискретными. В плоскости, параллельной границам раздела, движение электронов остается неограниченным. В результате этого полная электронная волновая функция дается произведением огибающей функции (решение одномерного уравнения Шредингера) и периодических блоховских функций Uпк (обусловленных периодичностью кристаллической решетки), а также плоских волн, описывающих свободное движение в плоскости, параллельной границам раздела.

Уровни энергии одномерной потенциальной ямы шириной a


В плоскости ху (потенциальной ямы) передвижение носителей не ограничивается, поэтому полную энергию носителей можно записать в виде


Слайд 36Изображение волновых функций для четырех нижних уровней энергии (п = 1,

2, 3, 4) одномерной прямоугольной ямы с бесконечно высокими стенками.








Схема уровней одномерной прямоугольной ямы, на которой показаны
уровни ямы с бесконечно высокими стенками (слева, пунктирные линии) и лежащие ниже уровни ямы с конечными стенками (справа, сплошные линии).

Слайд 37Количество электронов N(E) (слева) и плотность состояний D(E) (справа) в зависимости

от энергии для четырех типов квантовых структур в приближении прямоугольных ям и Ферми-газа.

Плотности состояний в зоне проводимости и валентной зоне однослойной КРС


Слайд 38Оптические переходы в КРС


Слайд 39Квантово-размерная структура


Слайд 40Многослойная КРС


Слайд 43Ступенчатый характер распределения плотности состояний, которая конечна даже при минимально возможной

энергии, позволяет создать полупроводниковые лазеры с низким значением порогового тока < 1 мА при комнатной температуре и слабой температурной зависимостью порогового тока.
Большая анизотропия оптического усиления (оптическое усиление для ТЕ-моды значительно больше, чем для ТM-моды) в структурах с квантовыми ямами обеспечивает высокую стабильность поляризации оптического излучения.
Узкая ширина полосы оптического усиления структуры с квантовыми ямами позволяет легко осуществить одномодовый режим генерации не только в полосковой, но и в ширококонтактной структуре.
В таких лазерах наблюдается линейная зависимость мощности оптического излучения от силы тока и высокая степень постоянства модового состава излучения.

Слайд 45Зонная диаграмма при прямом смещении 0,66 В и волноводный спектр усиления

TE моды (в) для квантовых ям 7 (g7), 8 (g8), 10 (g10) и 14 нм (g14).
gtot – суммарный спектр волноводного усиления

при использовании асимметричных многослойных
квантоворазмерных гетероструктур на основе четверных соединений
Ga0,6In0,40As0,36Sb0,64 /Al0,35Ga0,65As0,03Sb0,97 с неоднородно возбужденными
активными слоями, отличающимися толщиной, можно получить
широкий и практически плоский спектр волноводного усиления в
диапазоне 2,30–2,84 мкм.


Слайд 46Принцип функционирования SEED-прибора. Под влиянием электрического поля носители освобождаются из квантовой

ямы, например, за счет туннелирования (а). Структура, содержащая квантовые ямы, электрически смещается цепью с последовательным сопротивлением R(6). Реакция структуры на действие электрической цепи заключается в резком уменьшении выходного сигнала, когда мощность входного излучения превышает определенное пороговое значение (в).

Слайд 47Генерация сверхкоротких импульсов


Слайд 48Электрооптические модуляторы света



Ячейка Поккельса

Минимальное время переключения ~ 1 пс


Слайд 49Синхронизация продольных мод в резонаторе
ω
ω




Слайд 50
Методы синхронизации мод
Активная синхронизация мод
Пассивная синхронизация мод


Слайд 51Методы генерации сверхкоротких импульсов


Слайд 52Частота синхронизации мод в современных
полупроводниковых лазерах


Слайд 53Структура лазера типа
GRIN-SCH с многослойной
квантоворазмерной структурой
градиентные
слои
градиентные
слои
МКРС


Слайд 55Экспериментальные данные по получению
цуга фемтосекундных импульсов в полупроводниковом
лазере с синхронизацией мод

(GRIN-SCH-MQW-CPM)

Слайд 56Временной цуг импульсов
GRIN-SCH-MQW-CPM лазера
с частотой 1 ТГц


Слайд 57В общем случае график jth(T) можно разбить на два или три

участка: от предельно низких температур до T1 – участок постоянного или медленного роста jth(T), от T1 до T2 – пологий участок экспоненциального роста jth, выше T2 – участок более крутого экспоненциального роста. i = 1, 2; T0i – параметры аппроксимации.

ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ПОРОГА ГЕНЕРАЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ

ДГС

ЛКТ ЛКЯ


Слайд 58Формирование квантово-размерных структур
Квантовая яма из арсенида галлия на подложке; б) -

квантовая проволока и квантовая точка, полученные методом литографии.

метод электронно-лучевой литографии: а) — изначальная покрытая защитным слоем квантовая яма на подложке; б) — облучение образца через маску; в) — конфигурация после растворения проявителем облученной части радиационно-чувствительного защитного слоя; г) — формирование маски для последующего травления; д) — состояние после удаления оставшейся части чувствительного защитного слоя; е) — состояние после стравливания частей материала квантовой ямы; ж) — окончательный вид наноструктуры после удаления маски травления.


Слайд 59Схема уровней в различных структурах
a – объемный материал; b – квантовая

яма;
c – квантовая проволока;d – квантовая точка.

Betul Arda, Huizi Diwu. Department of Electrical and Computer Engineering University of Rochester)


Слайд 60Структура уровней
Дискретные уровни энергии: высокая плотность состояний, слабая зависимость от температуры.


КТ КЯ


Слайд 61Структурная схема лазера на КТ
Идеальный ЛКТ состоит из 3D-массива точек одинакового

размера и формы.
Окружен более широкозонным п.п. – электронное ограничение .
Встроен в оптический волновод - оптическое ограничение.
Состоит из нижнего и верхнего слоев (n-типа и p-типа )

Слайд 62ЛКТ
MBE-технология
Интеграция слоев квантовых точек в активную зону лазера с двойной

гетероструктурой
Плотность КТ >1010cm-2

Слайд 63Преимущества лазера на КТ

Длина волны генерации определяется энергетическими уровнями, а не

шириной ЗЗ:
возможность управлять длиной волны (изменением размеров);
максимальный коэффициент усиления.

Небольшой объем:
высокая частота повторения импульсов;
большая ширина полосы модуляции;
малый динамический чирп;
малый коэффициент увеличения ширины линии;
низкий порог лазерной генерации.

Зависимость от температуры тока порога генерации I threshold (T)
I threshold (T) = I threshold (T ref).exp ((T-(T ref))/ (T 0)) :
высокое значение T 0 вследствие уменьшенного электрон-фононого взаимодействия;
работа при комнатной температуре без термостабилизации.

Подавление диффузии неравновесных носителей – уменьшение потерь.

Слайд 64Зависимость длины волны генерации
ЛКТ и ЛКСР от температуры


Слайд 671.3 µm Quantum Dots


Слайд 71Вертикально излучающие полупроводниковые лазеры


Слайд 72
Лазерная связь между чипами


Слайд 73Линейка выколотых гетеролазеров


Слайд 74Полупроводниковый лазер с
распределенной обратной связью
DFB – distributed feedback laser


Слайд 76Схематическое изображение лазерных структур: a - традиционный полосковый лазер, b -

вертикально-излучающий лазер.

DBR
distributed Bragg reflector


Слайд 78Вертикально-излучающий
лазер (ВИЛ) на двух длинах волн
с брэгговскими зеркалами (DBR)



Слайд 79Схемы электронного и оптического ограничения


Слайд 81
Решетка ВИЛ лазеров


Слайд 82ВИЛ с плоскими брэгговскими зеркалами


Слайд 83
ВИЛ на модах шепчущей галереи


Слайд 84
Микролазеры


Слайд 85ВИЛ с активной областью на основе трех слоев квантовых точек InAs/InGaAs.



Слайд 86Фосфид индия
Арсенид галлия
Антимонид индия
Германий
кремний
InP
Si
Кремний – непрямозонный материал
Низкая эффективность излучательной рекомбинации

(поглощение на свободных носителях, оже-рекомбинация)

Структура зон и оптические переходы


Слайд 88Кремниевый гибридный лазер


Слайд 89ЗОННАЯ СТРУКТУРА


Слайд 90ПРОФИЛЬ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ


Слайд 92РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ


Слайд 94Литература
О.Звелто. Принципы лазеров.-М.:Мир, 1984
Физика полупроводниковых лазеров.- М.:Мир, 1989
Laser Focus World, 2000,

Vol. 36, No. 4, 5, 6, 7
Semiconductor Lasers 2000. www.optoelectronics-world.com


Слайд 95Контрольные вопросы.
1. Полупроводниковые лазеры – области применения.
2. Основные свойства полупроводников
3. Образование

запрещенной зоны
4. Зонная структура полупроводников, уровень Ферми.
5. Инжекция в p-n переходе, светодиод.
6. Устройство и работа простейшего полупроводникового лазера.
7. Полупроводниковые лазеры с гетероструктурами.
8. Волновые свойства гетероструктуры, удержание носителей.
9. Оптическая схема считывания информации в CD-ROM.
10. Зависимость энергии запрещенной зоны от постоянной кристаллической решетки двойных соединений и их растворов.
11. Понятие о квантово-размерной структуре.
12. Преимущества лазеров на многослойных КРС.
13. Методы генерации сверхкоротких импульсов.
14. Ячейка Поккельса, принцип работы.
15. Генерация сверкоротких импульсов путем возбуждения короткими импульсами тока.
16. Синхронизация мод в резонаторе как метод получения цуга сверкоротких импульсов.
17. Частота синхронизации мод в современных полупроводниковых лазерах.


Обратная связь

Если не удалось найти и скачать презентацию, Вы можете заказать его на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:

Email: Нажмите что бы посмотреть 

Что такое ThePresentation.ru?

Это сайт презентаций, докладов, проектов, шаблонов в формате PowerPoint. Мы помогаем школьникам, студентам, учителям, преподавателям хранить и обмениваться учебными материалами с другими пользователями.


Для правообладателей

Яндекс.Метрика