Nanoelektron lazerlar - Elec16mbk elektronika va sxemalar 2

Nanoelektron lazerlar. Lazer optik diapazondagi elektromagnit tebranishlarni kuchaytirish va generasiyalash uchun xizmat qiluvchi kvant asbob. Uning ishlashi yarimo’tkazgichdagi elektronlar ichki energiyasini o’zgartirishga asoslanadi. Optik diapazondagi kvant asboblar inglizcha Light Amplification by Stimulation Emission of Radiation ga muvofiq, ya’ni majburiy nurlanish yordamida nurni kuchaytirish ma’nosini anglatadi. Nurlanish elektron – kovak juftliklarning rekombinasiyasi hisobiga yuz beradi, elektron energiya yo’qotib uni elektromagnit nurlanish (foton) kvanti ko’rinishda chiqaradi. Bunday rekombinasiya nurlanuvchi rekombinasiya deb ataladi. Rekombinasiya o’z–o’zidan boshqa nurlanishlar bo’lmagan holda amalga oshishi mumkin. Bunda hosil bo’luvchi nurlanish spontan nurlanish deyiladi. Bunday nurlanish ma’nosi shunda–ki, foton o’tkazuvchanlik elektroni bilan ta’sirlashib uni valent zonadagi bo’sh sathga o’tishga majburlaydi, bunday o’tishda elektron o’zining ortiqcha energiyasini foton sifatida chiqaradi. Majburiy nurlanish hisobiga hosil bo’lgan fotonlar nurlanish hosil qilgan fotonlarning aynan nus’hasi bo’lib xuddi shunday chastota, o’sha harakat yo’nalishiga, bir xil boshlang’ich fazaga va bir xil qutblanishga ega. Natijada bitta kvant o’rniga ikkita kvantga ega bo’linadi, ya’ni nur kuchayishi kuzatiladi. Bunday nurlanish lazer nurlanish deb ataladi.
Foton elektronning valent zonadan o’tkazuvchanlik zonaning bo’sh holatiga o’tishi hisobiga yutilishi ham mumkin. Ikkala jarayon – yutilish va majburiy nurlanish jarayonlari ehtimolligi bir xil. Kristal valent zonasidagi elektronlar soni uning o’tkazuvchanlik zonasidagi elektronlar soniga qaraganda ancha ko’p bo’lgani sababli, yutilish aktlari soni nurlanish aktlari soniga qaraganda bir necha martaba ko’p bo’ladi, ya’ni bunday yarimo’tkazgich faqat nur yutadi.
Yarimo’tkazgich nurni kuchaytirish imkoniyaga ega bo’lishi uchun ikkita asosiy shart bajarilishi zarur. Birinchidan, yarimo’tkazgichda energetik sathlarning to’ldirilishida inversiyaga erishish, ya’ni o’tkazuvchanlik zonada valent zonaga nisbatan ko’proq elektronlar bo’lishiga erishish lozim. Bu holda nurlanish aktlari soni yutilish aktlariga nisbatan ko’proq bo’ladi va yarimo’tkazgich nurni kuchaytiradi. Ikkinchidan, yarimo’tkazgichda shunday sharoit hosil qilish kerak–ki, fotonlar faqat majburiy o’tishlarda hosil bo’lsin. Buning uchun majburiy nurlanish aktlari sodir bo’ladigan aktiv muhitni optik rezonatorga yoki qaytarish koeffisiyenti yetarli katta ko’zgular tizimiga joylashtirish zarur. Shunda aktiv sohada yuzaga keluvchi birlamchi spontan foton harakati davomida o’ziga o’xshash foton chiqaradi. Demak, modda hajmida 2 ta foton bo’ladi, keyin 4 ta va x.z. Rezonator ko’zgulariga yetib borgan deyarli har bir foton qaytadi va yana aktiv modda hajmiga kiradi, u yerda yangi fotonlar hosil bo’lishida qatnashadi. Rezonator ichida lazer nurlanish zichligi rezonator hajmidan tashqariga chiqayotgan fotonlar soni rezonator ichida majburiy o’tishlar hisobiga yuzaga kelayotgan fotonlar soniga tenglashmaguncha ortib boraveradi. Shundagina turg’un generasiya rejimi yuzaga keladi.
Injeksiya nurlanish hosil qilishning eng muhim usuli. p-n o’tish to’g’ri siljitilganda noasosiy zaryad tashuvchilarning o’tish orqali injeksiyasi effektiv nurlanuvchi rekombinasiyaga olib keladi, chunki bu holda elektr energiya bevosita fotonlar energiyasiga o’zgartiriladi.
Gomo p-n o’tishlarda hosil qilingan birinchi injeksion lazerlar generasiyasi va ekspluatasiya (foydalanish) parametrlari nisbatan past edi – 20÷100 kA/sm2 gacha katta bo’sag’aviy tok, xizmat qilish davri qisqa va kichik FIK. Bu lazer generasiyalash jarayonining kvant samaradorligi pastligi va katta optik yo’qotishlar bilan bog’liq edi. Optik yo’qotishlar lazerning aktiv sohasida erkin zaryad tashuvchilar va nuqsonlar tomonidan nurning yutilishi bilan bog’liq edi. Gap shunda – ki, gomoo’tishlarda invers to’ldirilish yuqori legirlangandagina amalga oshirilardi, natijada muvozanat holatda zaryad tashuvchilar konsentrasiyasi katta bo’lar va aktiv sohada kristal panjara nuqsonlari ortib ketardi. Bundan tashqari, aktiv sohada hosil bo’layotgan nurlar aktiv bo’lmagan qo’shni sohalarga tarqalardi. Lazer generasiyalash jarayonining kvant samaradorligining pastligi asosan ko’p elektronlarning tezligi katta bo’lgani hisobiga aktiv sohadan sakrab o’tishi va kovaklar bilan rekombinasiyalashib ulgurmasligi bilan bog’liq edi.
Geteroo’tishli tuzilmalardan foydalanish masalani mutlaqo o’zgartiradi. 1.15–rasmda ikki tomonlama geterotuzilmaga ega lazerning tuzilishi, uning energetik diagrammasi va sindirish ko’rsatkichining taqsimlanishi ko’rsatilgan.
Ko’zgular kristalni sindirib yoki o’tish tekisligiga tik ikkita yon tomonlarini sayqallab hosil qilinadi. Qolgan ikki yon tomon sirti nur boshqa tomonlarga tarqalmasligi uchun notekis qilib tayyorlanadi. Bunday tuzilma Fabri – Pero rezonatori deb ataladi.
a) b)
1.30 – rasm. Injeksion geterolazer: ikki tomonlama geterotuzilma (a), energetik diagrammasi (b) va sindirish ko’rsatikichi
Aktiv qatlam sifatida taqiqlangan zonasi kengligi kichikroq va dielektrik doimiysi katta (katta sindirish ko’rsatkichga ega) materialdan foydalaniladi. Rekombinasiya, nur hosil bo’lish va invers egallanganlik sohalari o’zaro ustma – ust tushadi va o’rta qatlamda joylashadi. Lazer ishlashi quyidagicha amalga oshadi. n – p o’tish to’g’ri siljitilganda elektronlar n – GaAs dan aktiv sohaga injeksiyalanadi va unda invers egallanganlikni hosil qiladi. Shundan keyin elektronlar o’tkazuvchanlik zonadan valent zonaga o’tib elektromagnit nurlanish kvantlarini hosil qiladi. Bu nurlar chastotasi
(1.16)
ga teng. Geteroo’tishlar chegarasida potensial to’siqlar hisobiga passiv sohalarda rekombinasion yo’qotishlar bo’lmaydi, elektron – kovakli plazma o’rta qatlamning kvant chuqurlarida joylashadi. Generasiyalanayotgan nurlanish aktiv va passiv sohalar sindirish ko’rsatkichlarinining farqi hisobiga asbobning aktiv sohasiga to’planadi. Agar qatlamlarning sindirish ko’rsatiklari
n2 > n1 ≥ n3 ,
shartni qanoatlantirsa, elektromagnit nurlanish qatlamlar chegaralariga parallel yo’nalishlarda tarqaladi. Shu hisobiga passiv sohalarda nurlanish yo’qolishi e’tiborga olmasa bo’ladigan darajada kichik bo’ladi.
Aktiv qatlam qalinligi yetarli kichik bo’lganda u o’zini kvant chuqurdek tutadi. Unda energetik spektr kvant chuqurlikli lazerni parametrlarini aktiv qatlam qalinligini o’zgartirish hisobiga o’zgartirib qayta sozlash mumkin. (1.15) ga muvofiq chuqur o’lchamlari kamaytirilganda elektronlarning minimal energiyasi WC1 va WC1 ortadi va unda (1.16)ga muvofiq lazer nurlari chastotasi ham ortadi. Kvant chuqurligi kengligini tanlab OTALlar uchun λ =1,6 mkmli lazer hosil qilamiz. Bundan tashqari, kvant chuqurliklarida spektri infraqizil nurlardan havoranggacha o’zgaradigan NDlar yaratilgan.
Ikki tomonlama geterotuzilmalarda qatlam qalinligi 0,1÷0,2 mkm bo’lganda bo’sag’aviy tokning zichligi 1÷3 kA/sm2 gacha kamaydi. Kvant chuqurlikli lazerlarda ushbu tokning minimal chegaraviy qiymati 30 A/sm2 atrofida bo’ladi. Bo’sag’aviy tokning sezilarli kamayishiga volnovod effekti va aktiv sohaning kichik qalinligidan tashqari yana ikkita holat ko’maklashadi. Birinchidan, aktiv sohaga injeksiyalangan va kovaklar bilan birinchi martada ta’sirlasha olmagan elektronlar potensial to’siqlardan qaytadi va aktiv sohaga kiradi. Bunda ularning kovaklar bilan rekombinasiyalashish ehtimolligi yuqori bo’ladi. Ikkichidan, keng taqiqlangan zonaga ega emitterning elektronlari nisbatan tor taqiqlangan zonaga ega n – GaAs li aktiv sohasiga o’z potensial energiyasini yo’qotib kiradi, xuddi “tog’dan yumalab tushgandek”. Ushbu hodisa superinjeksiya deb ataladi.
Ikki tomonlama geteroo’tishga ega lazerning xona temperaturasida uzluksiz ishlash rejimdagi xizmat qilish vaqti hozirgi vaqtda 10 ming soatni tashkil etadi, unda elektr quvvatning 60 % yorug’lik nuriga aylatiriladi.
Fabri – Pero rezonatorli lazerda nur volnovod qatlamning yon tomonidan, ya’ni gorizontal joylashgan rezonatorlar orqali chiqadi. Lazerda volnovod qatlam uyg’otilgan nur volnovoddan bo’ylama yo’nalishda chiqquncha kuchaytiriladigan qatlam – kesim. Bunda aktiv soha qalinligi kichikligi hisobiga volnovod qatlamga tik yo’nalishda nur dastasi 800÷600 mrad burchak ostida tarqaladi.
1.31 – rasm. Vertikal rezonatorli nanoelektron lazer tuzilishi
Hozirgi vaqtda ingichka yo’nalgan nurlanish hosil qilish uchun nur volnovod qatlam sirtiga yuritilgan difraksion panjara orqali chiqariladi. Bu holatda nur tarqoqligi aktiv soha qalinligi bilan emas, spektral chiziq yarim kengligi bilan aniqlanadi va bir necha o’n burchak minutni tashkil etadi. Difraksion panjarali injeksion geterolazerning tuzilishi 1.31 – rasmda ko’rsatilgan.
Bunday lazer Fabri – Pero rezonatori davri yorug’lik to’lqin uzunligiga teng yoki unga karrali bo’lgan difraksion panjara bilan hosil qilinadi. Bunday davrli panjara yassi ko’zgu sifatida xizmat qiladi, chunki unda Vulf – Bregg sharti bajarilgan nur modalari qaytadi.
Vulf – Bregg sharti kristal atom qatlamlari to’plamiga tushayotgan nurlarning qaytishi natijasida hosil bo’ladigan to’lqinlar intensivligi holatini aniqlaydi. Difraksion panjaralar (bregg ko’zgulari) asosga parallel joylashgan, rezonator o’qi va nur tarqalish yo’nalishi yarimo’tkazgich plastina tekisligiga nisbatan tik (vertikal). Shuning uchun bunday lazer vertikal rezonatorli lazer deb ataladi. Bu turdagi lazerlar VCSEL (Vertical – cavity surface – emitting laser) yoki VCL (Vertical – cavity laser) nomini olgan.
|