Инжекционные лазеры и оптроны

Аннотация. В статье представлено исследование устройства и принципа работы электрооптических приборов – оптрона(оптопары) и полупроводникового(инжекционного) лазера.

Ключевые слова: Оптрон, активная среда, световое излучение, инверсная населенность, фотон, заращенная гетероструктура, пороговый ток.

Цель: Исследовать работу, принцип действия и устройство оптрона(оптопары) и полупроводникового(инжекционного) лазера.

Задачи исследования: Изучить теоретические сведения об электрооптических приборах – оптроне и инжекционном лазере.

Оптрон или оптопара – электронный прибор, состоящий из излучателя света и фотоприемника (в качестве которого часто применяют фототранзистор(рис.1), но могут применять фоторезисторы, фотодиоды, и солнечные батареи(рис. 2).), связанных общим каналом и объединенных в общем корпусе. 

Рисунок 1. Транзисторный оптрон – внутреннее строение

Рисунок 2. Разновидности оптопар

Принцип работы у данного прибора очень простой: когда подается питание на оптрон, светодиод (в старых оптронах лампа накаливания) начинает излучать свет, который принимается фототранзистором, замыкающим электрическую цепь. Иными словами, принцип работы оптопары заключается в преобразовании электрического сигнала в световое излучение, с последующим преобразованием светового сигнала светодиода в электрический сигнал.

Вольт-Амперная характеристика (рис. 3) тиристорного оптрона такая же, как и у обычного тиристора. При отсутствии входного тока фототиристор может включиться при приложении к нему высокого прямого напряжения. Т.к. недопустимо приложение высокого напряжения эта кривая имеет чисто теоретический смысл.

Рисунок 3. ВАХ оптрона и другие характеристики

Данный элемент используется для гальванической развязки цепей – подачи сигнала без передачи напряжения, для бесконтактного управления, т.е. передача информационного сигнала или энергии между электрическими цепями, не имеющими непосредственного электрического контакта.

Включение возможно только при подаче входного тока, являющегося управляющим. Время включения зависит от величины входного напряжения и составляет 5-10 мкс. Время отключения зависит от процесса рассасывания неосновных носителей заряда в периодах фоторезистора и значения выходного тока. Реальное время отключения составляет 10-50 мкс.

Полупроводниковый лазер – генератор когерентного излучения на основе полупроводникового кристалла (рис. 4). По способу возбуждения полупроводниковые лазеры делятся на инжекционные и лазеры с накачкой пучком быстрых электронов.

Рисунок 4. Устройство простейшего лазера

Инжекционные лазеры состоят из резонатора и активной среды. Для возбуждения и работы лазера необходимо:

Создать инверсную населенность активной среды т.е. привести активную среду в состояние, при котором скорость индуцированного излучения превышает скорость поглощения фотонов. Инверсная населенность создается при питании активной среды постоянным током.

Создать положительную обратную связь, чтобы превратить данный оптический усилитель в генератор. Это можно сделать при помощи крайних поверхностей лазера – параллельных пластин (зеркал), образующих оптический резонатор (рис.5). Одна пластина отражает индукционное излучение в активную среду, а другая, представляющая собой полупрозрачное зеркало, которое часть света отражает и работает как резонатор, другую часть света «пропускает», образуя выходное оптическое излучение. Такие лазеры имеют большую излучающую площадь. Чтобы уменьшить ее можно активный слой ограничить изолятором, что позволит локализовать оптическую мощность и носителей тока. Такие приборы называют волноводными усилителями.

Рисунок 5. Устройство резонатора

Значительно большая локализация достигается при конструкции, называемой заращенной гетероструктурой (рис.6). В таких лазерах образуется «волноводный канал» т.к. заращивающий слой с пониженным показателем преломления образует границу волновода и ограничивает оптическое излучение. В заращенной гетероструктуре ширину полоски InGaAsP доводят до 2 мкм, что позволяет снизить пороговый ток, но при этом полная мощность, излучаемая лазером в пространство, не превышает 1-2 мВт.

Инжекционные лазеры с заращенной гетероструктурой позволяют получить оптическое излучение одной моды, лучшую временную стабильность и повышенную линейность мощности выходного излучения.

Рисунок 6. Схематическое строение полупроводниковых лазеров

а – инжекторного лазера, б – лазера с заращенной гетероструктурой.

Специфическим параметром лазеров является пороговый ток I_пор (рис.7), соответствующего току накачки, при котором начинается генерация оптического излучения. До достижения необходимого значения I_пор ток плавно возрастает, создавая при этом инверсную населенность, т.е. давая фотонам такое количество энергии, при котором атомы не смогут поглотить энергию, высвобождающуюся при смене орбит фотонами, в следствие чего начинается свечение активной среды.

Рисунок 7. График порогового тока I_пор.

Заключение: В заключение проведенной исследовательской работы можно сделать вывод об устройстве и принципе работы оптрона и инжекционного лазера.