Лазер 1 I---.Х

Лазер 2 ---.N..*

Световой детектор

6) Интерферометр Фабри -Перо с разверткой

Электрострикционный

Лазер

Лазер

Сдвигатель частоты света

Оптическое волокно

Световой детектор

Рис. 3.32. Измерение ширины спектра излучения полупроводникового лазера

соответствующее разности между частотами этих мод (см. рис. 3.29).

Ширина спектра. Шириной спектра можно считать ширину кривой распределения мгновенных значений напряженности электрического поля световой волны. Основной вклад в спектр вносит низкочастотная составляющая шумов частотной модуляции.

Для измерения ширины спектра существует несколько способов: измерение (с помощью спектроанализатора) спектра сигнала биений между лучами двух лазеров (рис. 3.32, а); использование интерферометра Фабри-Перо с высокой разрешающей способностью сканирования по частоте (рис. 3.32,6); автогете-родинирование с задержкой, где в качестве линии задержки используется оптическое волокно (рис. 3.32, в).

Рис. 3.33. Результаты измерения ширины спектра AlGaAs-лазера

Значения ширины спектра, измеренные в последнее время, составляют от единиц до нескольких сотен мегагерц. Результаты измерения для одного нз лазеров системы AlGaAs представлены на рис. 3.33. Ширина спектра выражается следующей формулой, представляющей собой откорректированную для полупроводниковых лазеров формулу (3.12):

05 f,0 1,5 2,0 2,5 Величина, обратная cSemoBou, мощности излучения, мВт

Av, = -

(3.20)

Эта формула называется модифицированной формулой Шав-лова-Таунса. Здесь Р - мощность излучения торцевой поверхностью с коэффициентом отражения Ru - величина, соответствующая Nal{Na-Nb)th в формулс (3.12) И рзвная 1...2.

Кроме того, обусловленные флюктуациями спонтанного излучения колебания плотности носителей приводят к изменению коэффициента усиления и коэффициента преломления. Коэффициент а есть отношение этих изменений и называется а-пара-метром или коэффициентом линейного усиления. Его значение равно нулю для газового лазера, в полупроводниковых же лазерах находится в пределах от -2 до -6.

В соответствии с формулой (3.20) ширина спектра должна быть обратно пропорциональна световой мощности (или инжек-ционному току). Однако в действительности, как показано на рис. 3.33, линия результатов измерения не проходит через начало координат. Получается, что даже при неограниченно большой мощности света ширина спектра не равна нулю, т. е. существует такая ширина спектра, которая не зависит от световой мощности. Для лазеров системы AlGaAs она составляет 0,6... 1,9 МГц. Причины этого не совсем ясны, но предполагается, что это шум с мощностью, пропорциональной 1/f, который определяется флюктуациями плотности носителей или флюктуациямИ подвижности носителей.

Кроме рассматриваемой здесь продольной моды возникают поперечные моды с очень небольшой мощностью, поэтому в лазерах с недостаточной регулировкой поперечных мод спектральная ширина мод с учетом влияния «конкуренции» между ними получается больше, чем по формуле (3.20). Таким обра-

а) Полупрозрачная пленка

Лазер

Зеркало или дафраки,ионная решетка

Излучаемый. с8ет

Обратный с8ет

Оптическое Полированный волокно тореи, волокна

Рис. 3.34. Сужение спектра с помощью обратной оптической связи

зом, процесс генерации усложняется и измеряемая ширина спектра полупроводникового лазера имеет большой разброс.

Но в любом случае ширина спектра не менее нескольких мегагерц. Это

примерно в 10 раз больше, чем для Не-Ne-лазеров (см. п. 3.4.2), что является следствием малой добротности резонатора полупроводникового лазера.

Когда полупроводниковый лазер используется в когерентном оптическом датчике, то часто необходима ширина спектра не более 1 МГц. В подобных случаях применяют различные способы повышения добротности резонатора. На рис. 3.34, а представлен способ, при котором путем напыления поглощающей пленки на одну из торцевых поверхностей лазера снижается коэффициент отражения луча зеркалом, расположенным на расстоянии несколько сантиметров от лазера, т. е. создается конструкция с увеличенными размерами резонатора. В способе, показанном на рис. 3.34, б, к лазеру присоединяется одним концом оптическое волокно, а вместо зеркала (как на рис. 3.34, а) здесь используется торец другого конца волокна.

При любом из этих способов объем резонатора данного лазера значительно увеличивается по сравнению с объемом резонатора простого лазера и тем самым создается возможность увеличения добротности резонатора. Благодаря этому обстоятельству шумы частотной модуляции приобретают более низкочастотный характер и спектр сужается, причем для случая, показанного на рис. 3.34, а, ширина спектра уменьшается до 10 кГц, а для случая на рис. 3.34, б - до 30 кГц.

Однако для получения столь узкого спектра необходимо, чтобы фаза световой волны, отраженной от зеркала или конца волокна, при повторном вхождении в лазер была бы равна фазе излучаемой световой волны. Другими словами, положение зеркала и длину оптического волокна необходимо регулировать с точностью в пределах длины световой волны, и если это не обеспечить, то шумы обратного света вызовут, наоборот, расширение спектра.

Следовательно, введение обратной оптической связи не всегда подходит как способ стабильного ограничения ширины спектра, а увеличение размеров резонатора находится в проти-

Рис. 3.35. Сужение спектра с помощью обратной связи по электрическому

току

воречии С таким преимуществом полупроводникового лазера, как малогабаритность, но в силу простоты решения этот способ используется часто. Предпринимаются также попытки изготовления внешнего зеркала по интегральной технологии.

В последнее время выдвинут способ, при котором с помощью широкополосной отрицательной обратной связи по электрическому току снижается частота шумов частотной модуляции и сужается спектральная полоса. В отличие от рассмотренных выше способов с оптической обратной связью этот способ не препятствует миниатюризации лазера, при нем нет необходимости изменять конструкцию резонатора. Отмечается, что можно получить более узкий спектр. Схема реализации способа приведена на рис. 3.35. Теоретически этим способом можно достигнуть ширины спектра в несколько сотен герц. В настоящее время для лазеров системы InGaAsP реализована ширина спектра около ЗЗЮ кГц. Электрическую схему с отрицательной обратной связью можно выполнить по интегральной технологии, т. е. рассмотренный метод вполне приемлем для практики.

3.6. СВЕТОПРИЕМНЫЕ ПРИБОРЫ

Светоприемные приборы (световые детекторы), если их классифицировать по области применения, используемым материалам и по другим признакам, весьма разнообразны. Например, высокочувствительный фотоэлектронный умножитель, устройство с термопарой для измерения температуры в зависимости от падающего света; элемент Голея, содержащий наполненный газом резервуар, давление в котором увеличивается вследствие теплового движения газа под воздействием света, и многие другие приборы.

Для датчиков нужны светоприемные приборы, удовлетворяющие ряду требований, в первую очередь требованию мало-габаритности, малого потребления мощности, высокой чувствительности, быстрой реакции. Среди подобных устройств здесь рассматриваются полупроводниковые приборы, в частности ptlo-диоды и лавинные фотодиоды.

4 Заказ № 872 7

3,6.1. принцип действия. Описываемые здесь приборы относятся к квантовым светоприемным устройствам. В них используется внутренний фотоэффект -явление, при котором электроны, находящиеся в валентной зоне полупроводника или зоне примесного уровня, при поглощении света возбуждаются и переходят в зону проводимости. Процессы, происходящие в све-топриемных приборах, носят обратный характер по отношению к индуцированному излучению, составляющему принцип работы лазера.

К внутреннему фотоэффекту относится эффект фотопроводимости, при котором под воздействием света изменяется сопротивление полупроводника, а также фотогальванический эффект, при котором под воздействием света на краях зоны р-л-пере-хода возникает ЭДС. В приборах, основанных на эффекте фотопроводимости, используются материалы CdS, CdSe, PbS и др. В фотогальванических приборах используются полупроводники с р-л-переходом. Кроме того, солнечные батареи, которые служат источником электроэнергии, также представляют собой светоприемные приборы с большой площадью рабочей поверхности.

Принцип действия светоприемных устройств заключается в межзонном перемещении носителей при поглощении ими света. Это процесс, обратный индуцированному излучению в лазерах, но для него также справедливы частотные условия Бора [см. формулу (3.1)].

В качестве детекторов фотогальванического типа могут быть использованы одно- и двухэлементные полупроводники (Ge, GeAs, InP И др.), а поскольку каждый из них имеет ширину запрещенной зоны Eg вполне определенную, присущую данному материалу, то и максимальная длина волны, на которую может откликаться детектор, имеет в соответствии с формулой (3.1) также фиксированное значение.

В полупроводниках из трех или четырех элементов групп III-V периодической системы элементов (Gai-AUAs, InGai-AsyPi-y) благодаря регулировке соотношения л: и г/различных составляющих можно изменять значение Eg и таким образом создавать фотодетектор, откликающийся на свет с определенной длиной волны в широком световом диапазоне.

Если, как показано на рис. 3.36, а, используя полупроводники типа лир, создать р-л-переход, то, даже когда на него извне не подается никакого электрического напряжения, внутри перехода возникает электрическое поле (рис. 3.36,6). При этом, если на р-л-переход падает свет, то электроны ковалент-ной зоны, поглотившие его, переходят в зону проводимости и таким образом формируются свободные электроны и дырки. Они под воздействием внутреннего электрического поля направляются соответственно в сторону слоя л или р, т. е. воз-

Рис. 3.36. Энергетические зоны

и принцип действия фото- Зона Р

диода, основанного на фото- проводимости. У / гальваническом эффекте: а - перед созданием р-п-пере-

хода; б -без освещения р- вровень Ферт

п-перехода; в-при освеще- Зона Валентных л у

НИИ р-п-перехода onovmnntn/? /э у

пикает электрический ток. Ток, протекающий при коротком замыкании выводов от полупроводников р- и л-типа, называются током короткого замыкания.

В случае размыкания электроны И дырки, заряженные соответственно отрицательно и положительно, создают между полупроводниками р- и л-типа напряжение размыкания. Этими явлениями и характеризуется

злентроиов

777777Шу

Р р

р р-п I

фотогальванический эффект, а детекторный элемент, работающий по такому принципу, называется фотодиодом.

3.6.2. Структура и характеристики. На рис. 3.37 представлены типичные структуры фотодиодов. Мезаструктура, полученная травлением (рис. 3.37, а), используется в солнечных батареях, фотоэлектрических переключателях, фотодиодах для устройств считывания с перфокарт и перфолент. На рис. 3.37, б показана планарная структура, в которой на поверхности кристалла кремния экспонируется р-л-переход, затем это место защищается оксидной пленкой, поэтому темповой ток (ток, протекающий при отсутствии светового облучения элемента и вызываемый диффузией носителей, процессом их генерации - рекомбинации) мал. Следовательно, обеспечивается весьма высокая чувствительность и большой динамический диапазон.

В рш-фотодиодах, как показано на рис. 3.38, в области р- п-перехода уменьшено количество примесей и создан так называемый собственный слой с малым числом электронов и дырок (intrinsic layer, i-слой). При этом р-л-переход получается несколько толще, а электрическая емкость перехода уменьшенной, что способствует повышению быстродействия.

Если на р-л-переход подать обратное напряжение смещения, то электрические заряды в нем исчезнут: электроны «под-