5 0 лет полупроводниковому лазеру: история и перспективы

1. 50 лет полупроводниковому лазеру: история и перспективы

2. Создание физических основ лазера 1900 г. М.Планк –постулат о дискретном поглощении и испускании, привел выражение, связывающее частоту электромагнитного излучения и энергию кванта 1916 г. – работа Эйнштейна по предсказанию вынужденного излучения. 1927-1930 гг – работы Дирака с квантовым обоснованием вынужденного излучения. 1928 г Р.Ладенбург и Г.Копферманн экспериментальное подтверждение существования вынужденного излучения и наблюдение инверсной населенности в неоновом разряде. 1940 г. В.Фабрикант, Ф.Бутаева – предложение использования вынужденного излучения среды с инверсией населенности для усиления излучения. 1950 г. А.Кастлер (Нобелевская премия по физике 1966 г.) – метод оптической накачки для создания инверсной населенности. 1952 г. Броссель, Кастлер, Винтер –создание инверсной населенности 1954 г. мазер на аммиаке - Ч.Таунс, теоретическое обоснование А.М.Прохоров и Н.Г.Басов (Нобелевская премия 1964 г) 1960 Т.Мейман первый оптический генератор на рубине

3. Первые полупроводниковые лазеры 1961 г. Басов Н.Г., Крохин О.Н., Попов Ю.М. ЖЭТФ, 39, 1486 (1961) – предложении о создании инверсной населенности в прямосмещенном p-n переходе. 1962 г. лазер на p-n переходе GaAs – четыре группы из США (GE из Schenectady,IBM, GE из Syracuse, MIT Lincoln Laboratory) почти одновременно! Импульсы тока 5-20 мкс, Е=77 К, полированные торцы, плотность порогового тока ~ 104 (8500) А/см2.

4. Характеристики первых лазеров Мощность ~10 нВт, КПД <0.01% Спектр из работы Холла Два основных недостатка: растекание носителей + плохой волновод (большие оптические потери)

5. Лазеры с двумя гетеробарьерами Kroemer H 1963 A proposed class of hetero-junction injectionlasers Proc. IEEE 51 1782–3 Алферов Ж.И., Казаринов Р.Ф. «Полупроводниковый лазер с электрической накачкой» Авт. свид. №181737. Заявка № 9508/26-25. Заявлено 30.03.1963 По сути эти работы явились вторым рождением полупроводникового лазера поскольку кардинально улучшались его характеристики благодаря явлению суперинжекции и волноводному эффекту.

6. Жидкофазная эпитаксия Технология жидкофазной эпитаксии была создана в RCA (Radio Corporation of America) в 1963 г. и в 1967 была усовершенствована для роста гетероструктур GaAs/AlGaAs несколькими группами в мире (в СССР – группой Алферова) Жидкофазная эпитаксия оказалась очень удачным методом для выращивания лазерных диодов GaAs/AlGaAs Эти структуры позволили получить импульсную генерацию при комнатной температуре (Алферов 1968)

7. Первые полупроводниковые лазеры, работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре Рисунок из Нобелевской лекции Алферова Плотность порогового тока уменьшена до 940 А/см2

8. Пучковая и МОС-гидридная эпитаксии Следующий шаг в развитии лазерного диода можно было сделать только на основе более совершенной технологии. В 1968 г. эти технологии были предложены. Они позволяли в принципе контролировать толщины до нескольких ангстрем и делать любое количество слоев с разными составами

9. Лазер с квантовой ямой Для облегчения создания инверсии активная область должна иметь малую толщину, а для обеспечения волноводного эффекта , необходимо, чтобы толщина волноводного слоя была не менее ~0.2 мкм. Решение этой проблемы – структура с различным ограничение для электронов и света. Однако, при этом уменьшается коэффициент перекрытия. Решение – квантовые ямы. В них коэффициент усиления обратно пропорционален толщине. Первый лазер с квантовой ямой (200А) создан MOCVD в 1978. Внешняя квантовая эффективность 80% , ширина полоска 4 мкм, мощность ~5мВт, непрерывный режим, Т=300 К, плотность порогового тока 1.5-2 кА/см2. Здесь есть кажущийся парадокс!

10. Лазеры с квантовыми точками

11. Формирование волновода в плоскости подложки В первых лазерах волновод формировался ограничением тока (рис.2), потом были предложены структуры с захороненным гетеропереходом (рис. 7а) и полосковая структура (рис. 7б).

12. Распределенная обратная связь (РОС) РОС позволяет провести селекцию продольных мод. Это приводит к обужению линии генерации и к большей температурной стабильности частоты генерации.

13. Расширение оптического диапазона Лазеры телекоммункационного диапазона 1.3-1.5 мкм - на основе InP c КЯ InGaAs, «Красные лазеры» на InGaP и AlGaAs Реализация лазера на гетероструктуре II рода GaInAsSb-GaSb – освоение диапазона 1.5- 4 мкм Реализация лазеров на нитридах –освоение диапазона Arakawa Y, Sakaki H, Nishioka M, Okamoto H and Miura N 1983 Spontaneous emission characteristics of quantum well lasers in strong magnetic fields. An approach to quantum-well-box light source Japan. J. Appl. Phys. 22 L804–6 Кроме того на этой системе вероятно будет основано освещение ближайшего будущего

14. Лазерные линейки и лазерные матрицы

15. Лазеры с вертикальным резонатором Сверхнизкий пороговый ток•Высокое качество излучения•Монолитно-интегрированные зеркала• Планарная технология, тестирование на пластине, плотные массивы, интеграция на чипе

16. Лазеры на GaN Исследование светодиодов на GaN началось в США в 60 годах, но диоды были крайне неэффективными из-за плохого качества GaN. Nakamura создал MOCVD технологию выращивания качественного GaN и поэтому были созданы эффективные светодиоды (кпд. 10%) и голубые лазеры (430 нм). На основе гетероструктуры InGaN/AlGaN созданы лазеры работающие в диапазоне 360 -520 нм (сине-зеленый диапазон)

17. Уменьшение плотности порогового тока

18. Необычные лазеры. Лазер на Ge/Si гетероструктуре

19. Квантовые каскадные лазеры Идея : Р.Ф.Казаринов, Р.А.Сурис ФТП, т.5, 797 (1971). Реализация: Jerome Faist; Federico Capasso, Deborah L. Sivco, Carlo Sirtori, Albert L. Hutchinson, and Alfred Y. Cho (April 1994). "Quantum Cascade Laser"Science264 (5158): 553–556 Диапазон в среднем ИК: 3-25 мкм, в дальнем ИК: >60 мкм

20. Нерешенные проблемы Увеличение скорости передачи Увеличение мощности и КПД Создание дешевых коммерческих лазеров на Si для межчиповой связи Фазовая синхронизация лазеров в линейках ТГц лазеры, работающие при комнатной температуре Продвижение в ультрафиолетовый диапазон

21. Современный рынок лазеров