6. Energetski zonalni dijagram poluprovodničkih lasera sa dvostrukim heterospojem (DH) i usredsređivanje nosilaca i optičkog polja u ovoj strukturi.

Potoje dva tipa p-n spojeva kod različitih vrsta poluprovodničkih komponenata. Jedna vrsta spojeva (homospojevi), p-n spoj definiše se raspodelom primesa. Sa obe strane od granice rastojanja p i n oblasti postoji kristalna rešetka sa istim karakteristikama kao što su širina zabranjene zone i afinitet elektrona. Druga vrsta spojeva (heterospojevi), nastaje spajanjem dva različita poluprovodnička materijala. Na osnovu vrste ovih prelaza u kombinaciji sa vrstom dopiranja poluprovodnika postoje: izotipni p-P ili n-N i anizotipni n-P ili p-N heterospojevi, pri čemu važi: n i p se odnose na poluprovodnik koji ima manji energetski procep, a N i P na koncentracije šupljina i elektrona u poluprovodniku sa širim energetskim procepom. U optoelektronici kod poluprovodničkih lasera najčešće se koriste spojevi: GaAs-Ga1-XAlXAs, InP-GaXIn1-XPyAs1-y. Ove kombinacije materijala pri određenim vrednostima molarnih sastava x i y imaju jako dobro poklapanje konstanti rešetke i temperaturnog koeficijenta širenja tako da se dobijaju skoro idealni heterospojevi. Da bi se formirao zonalni dijagram heterospoja potrebno je znati zonalnu strukturu poluprovodnika koji ga čine. Kao posledica diskontinuiteta zona na međupovršinama heterospojeva javlja se efekat koncentrisanja nosilaca koji se manifestuje preko lokalizacije neravnotežnih nosilaca naelektrisanja u uskozonalni deo heterostrukture koji se nalazi između dva poluprovodnika sa širim energetskim procepom.

Slika1.Energetski zonalni dijagram za dvostruku heterostrukturu:a)u ravnoteži,b)sa direktnom polarizacijom

Na slici1. prikazan je zonalni dijagram dvostruke heterostrukture pri direktnoj polarizaciji gde je debljina aktivne oblasti manja od difuzione dužine elektrona. Barijera sa visokim ΔEC>>kT na izotipnom spoju p-P onemogućuje difuziju injektovanih elektrona u materijal sa širim Eg. Nosioci u centralnoj oblasti dvostruke heterostrukture su distribuirani ravnomerno zbog refleksije sa granica heterospoja (za razliku od uobičajenih p-n spojeva) i d<Ln. Struja u direktnom smeru određena rekombinacionim osobinama aktivne oblasti je:

gde je Δn koncentracija neravnotežnih nosilaca, a τeff je njihovo efektivno vreme života.

Kontinualan rad na sobnoj temperaturi postiže se koncentrisanjem nosioca u lateralnom pravcu ili vertikalnim (transverzalnim) usredsređivanjem injektovanih nosilaca i optičkog polja u kod dva heterospoja. Kako bi se ograničilo lateralno širenje struje u aktivnom sloju koristi se trakasta (strip) geometrija. Struja može da protiče samo kroz uzanu kontaktnu traku širine 10μm što se postiže korišćenjem SiO2 filma u maski za kontakte. Trakasta geometrijska struktura naziva se i “pojačavanjem vođena” struktura pošto su talasovodna svojstva obezbeđena lateralnom zavisnošću pojačanja, a koristila se kod AlGaAs/GaAs DH lasera. Zbog minimalnih gubitaka kod kvarcnih optičkih vlakana na 1.55μm i nulte disperzije na 1.3μm razvoj poluprovodničkih lasera fokusiran je na InGaAsP/InP strukture gde je konstruisana “indeksom vođena” struktura (struktura sa ukopanim heterostrukturnim slojem). U takvoj strukturi InGaAsP aktivan sloj je okružen sa InP slojem koji ima veći energetski procep i u vertikalnom i u lateralnom pravcu. Kasnije su se pojavili laseri sa distribuiranom povratnom spregom i distribuiranim Bragg-ovim reflektorom koji su dobijeni prvo na AlGaAs/GaAs a kasnije i na InGaAsP/InP strukturama.Lateralno usredsređivanje na nekoliko mikrona omogućuje da laser emituje zračenje u osnovnom transverzalnom modu i sprečava da se prostiru modovi višeg reda. Na osnovu tipa lateralnog talasovoda laseri se dele na: laserske diode sa strujno-indukovanim talasovodom i laserske diode sa ugrađenim talasovodom (slika2.).

Slika2. Laserska dioda sa strujno-indukovanim talasovodom i laserska dioda sa ugrađenim talasovodom

Prvi kontinualni laseri imali su ograničen kontaktni sloj koji se nalazi u blizini aktivne oblasti, a kako se nosioci injektuju u aktivan sloj u blizini kontaktne trake, optičko pojačanje postoji samo u ovoj oblasti. Laserske strukture sa promenom realnog indeksa prelamanja duž ravni spoja takvom da u lateralnom smeru ograničava optičko polje nazivaju se indeks-talasovodne strukture (slika3.).

Slika3. Laserske strukture kod kojih postoji longitudinalno i transverzalno ograničenje aktivne oblasti. Ativni sloj materijala uvek ima uži energetski procep i veći indeks prelamanja.

Poluprovodnički laseri ne emituju svetlost u jednom longitudinalnom modu. Najintenzivniji su modovi blizu maksimuma pojačanja. Međutim, i kada su ovi modovi znatno prigušeni, pri brzim impulsima oni oduzimaju znatan deo snage što ograničava brzinu prenosa kod svetlovodnih komunikacija.Kod poluprovodničkih lasera Fabri-Pero tipa, povratna sprega se obezbeđuje refleksijom sa ogledala čija je veličina ista za sve longitudinalne modove. Jedna diskriminacija longitudinalnih modova se vrši samim spektrom pojačanja ali ova diskriminacija je slaba jer je spektralna kriva pojačanja mnogo šira od ras tojanja između longitudinalnih modova. Selektivnost po modovima može da se poboljša povratnom spregom koja obezbeđuje različite gubitke u rezonatoru za različite longitudinalne modove za šta se koriste distribuirana povratna sprega i spregnuti laserski rezonatori.

Slika4. Distribuirana povratna sprega (DFB) i distribuiran Bragov reflektor (DBR).

Kod distribuirane povratne sprege (DFB), povratna sprega nije lokalizovana na ogledalima rezonatora nego je raspodeljena kroz dužinu rezonatora što se postiže formiranjem jedne rešetke tako da debljina jednog sloja koja je deo heterostrukture varira periodično duž rezonatora. Različiti indeksi prelamanja na suprotnim stranama rešetke formiraju periodičnu perturbaciju indeksa prelamanja koja formira distribuiranu povratnu spregu. Propagacioni talasi nastaju samo na talasnim dužinama povezanim sa periodom rešetke Λ:

gde je λμ talasna dužina unutar laserskog medijuma, a m je red Bragove refleksije.