Diode lasers

advertisement

Lecture  23  

Diode  lasers  

Light  from  diodes:  LEDs  

 

 

 

 

 

 

Operate  in  forward  bias  (posi=ve  to  p-­‐type);  use  direct  gap  semiconductors.  The  current  flux  will  

Determine  the  density  in  the  excited  state.  

 

 

 

Opera=on  of  the  diode  to  fuel  inversion.  

 

 

Add  a  cavity  

Bam:  diode  laser…..  

 

Direct  gaps  only:  

 

GaN  on  SiC  substrates  for  blue  LED  

Ce  doped  YAG  powder  absorbs  blue  

And  emits  yellow-­‐green  to  combine  with  more   blue  for  white  light.

 

LaPce  parameter  (A)  

 

 

 

 

 

 

 

GaN  based  diodes  were  key  in  opening  up  the  white  light  market  and  full  color  spectrum   applica=ons  that  included  green,  blue  and  near  UV.    

 

This  was  accomplished  without  having  bulk  GaN  high  quality  single  crystal  material.  

Substrates  were  essen=al:  

From  \      To  

Sapphire  

6H-­‐SiC  

GaN  

GaN  (%)  

14.8  

3.3  

AlN  (%)  

12.5  

1.0  

InN  (%)  

24.4  

14.0  

 

 

Sapphire  is  the  most  commonly  used  substrate  in  spite  if  the  large  mismatch  to  GaN  and   wider  bandgap  materials.    

However,  it  is  cheap  and  available  in  large  area  wafers.  

SiC  is  be\er  suited,  but  under  a  closely  held  patent  (Cree)  and  much  more  expensive  to  

  grow.  Large  area  wafers  are  also  hard  to  grow.  

Both  SiC  and  GaN  can  be  grown  conduc=ng  n-­‐type  or  p-­‐type  contrary  to  sapphire.  

 

Color    Wavelength    Voltage  drop    Semiconductor  material  

Infrared  

Red  

Orange  

Yellow  

Green  

 [eV]  

 

 

 

 

 ΔV  <  1.63    Gallium  arsenide  (GaAs)  

 Aluminium  gallium  arsenide  (AlGaAs)  

 

 1.63  <  ΔV  <  2.03    Aluminium  gallium  arsenide  (AlGaAs)  

 

 

 Gallium  arsenide  phosphide  (GaAsP)  

 Aluminium  gallium  indium  phosphide  (AlGaInP)  

 Gallium(III)  phosphide  (GaP)  

 2.03  <  ΔV  <  2.10    Gallium  arsenide  phosphide  (GaAsP)  

 

 

 

 Aluminium  gallium  indium  phosphide  (AlGaInP)  

 Gallium(III)  phosphide  (GaP)  

 2.10  <  ΔV  <  2.18    Gallium  arsenide  phosphide  (GaAsP)  

 

 Aluminium  gallium  indium  phosphide  (AlGaInP)  

 Gallium(III)  phosphide  (GaP)  

 1.9[70]  <  ΔV  <  4.0    Tradi=onal  green:  

 Gallium(III)  phosphide  (GaP)  

 Aluminium  gallium  indium  phosphide  (AlGaInP)  

 Aluminium  gallium  phosphide  (AlGaP)  

Pure  green:  

 [nm]

 

 λ  >  760  

 

 610  <  λ  <  760  

 

 

 

 590  <  λ  <  610  

 

 

 

 570  <  λ  <  590  

 

 

 

 500  <  λ  <  570  

Blue  

Violet  

Purple  

Ultraviolet  

Pink  

White  

 

 

 

 

 450  <  λ  <  500  

 

 400  <  λ  <  450  

 

 

 

 

 2.48  <  ΔV  <  3.7  

 Indium  gallium  nitride  (InGaN)  /  Gallium(III)  nitride  (GaN)  

 Zinc  selenide  (ZnSe)  

 Indium  gallium  nitride  (InGaN)  

 Silicon  carbide  (SiC)  as  substrate  

 Silicon  (Si)  as  substrate—under  development  

 2.76  <  ΔV  <  4.0    Indium  gallium  nitride  (InGaN)  

 Mul=ple  types    2.48  <  ΔV  <  3.7    Dual  blue/red  LEDs,  

 

 

 

 

 

 λ  <  400  

 

   

 

 

 Mul=ple  types    ΔV  ~  3.3[76]  

 

 

 

 

 

 3.1  <  ΔV  <  4.4  

 Broad  spectrum    ΔV  =  3.5  

 blue  with  red  phosphor,  

 or  white  with  purple  plas=c  

 Diamond  (235  nm)[71]  

 Boron  nitride  (215  nm)[72][73]  

 Aluminium  nitride  (AlN)  (210  nm)[74]  

 Aluminium  gallium  nitride  (AlGaN)  

 Aluminium  gallium  indium  nitride  (AlGaInN)—down  to  210  nm[75]  

 Blue  with  one  or  two  phosphor  layers:  

 yellow  with  red,  orange  or  pink  phosphor  added  anerwards,  

 Blue/UV  diode  with  yellow  phosphor  such  as  Ce:YAG

 

Chromacity  diagram:  

Pure  wavelength  colors  line  the  outer  rim.  Pick  any  three  for  light  sources  and  then  lines  combine  addi=vely    

 

Blue  LED  470  nm  

Ce:YAG  luminescence    

540  to  560  nm  (Ce  concentra=on  

  dependent)  

The  “right”  amount  of  Ce:YAG   converts  the  ideal  frac=on  of  blue  to   green  to  result  in  perceived  white   light.  (red  arrow)  

Three  LEDs  can  provide  any  color   within  a  triangle.  

Any  linear  combina=on  can  be   achieved  by  individual  power  levels.  

All  colors  within  the  triangle  are   possible.  

 

Cheaper  systems  decrease  the  area   in  the  triangle.  

LED  victory    

Sodium  vapor  

1965  

1879

 

1938

 

1959

 

1996

 

Laser  diodes  

•  Semiconductor  as  a  gain  medium  

•  Transi=on  rates  for  semiconductors  in  quasi-­‐equilibrium  

•  Current  pumping  

•  Laser  threshold  current  

•  Steady-­‐state  laser  photon  flux  

•  Power  output  characteris=cs  

•  Spa=al  characteris=cs  

•  Spectral  characteris=cs  

•  Wavelength  tunable  laser  diodes  

Some  useful  characteris<cs  of  semiconductor  lasers:  

1.  Capable  of  emiPng  high  powers  (e.g.  con=nuous  wave  ~  W).  

2.    A  rela=vely  direc=onal  output  beam  (compared  with  LEDs)  permits  high  coupling  efficiency  (~50  %)   into  single-­‐mode  fibers.  

3.    A  rela=vely  narrow  spectral  width  of  the  emi\ed  light  allows  opera=on  at  high  bit  rates  (~  10  b/s),   as  fiber  dispersion  becomes  less  cri=cal  for  such  an  op=cal  source.  

Lasers  are  based  on  the  phenomenon  of   s"mulated  emission,   the  counterpart  to  absorp=on  

E E h υ

Δ

E ( k ) k h υ h υ h υ k

1)   Light  

 

2)   Electron

3)   Hole  

4)   Energy  

5)   Gain  

6)   Thermal  

 environment  

7)  Inversion

Absorp=on   S=mulated  emission  

 must  be  of                that  matches  the  energy  gap  at  k  from  an  occupied  state  to  an  

 unoccupied  state:   Δ E ( k ) = h υ

 in  lower  energy  state  

 in  excited  state  (so  to  speak)

 is  absorbed  

 none

 dominates  

 

 

 

   

 

 

 

   in  excited  state  

 in  lower  energy  state  

 is  released  

 2  

 negligible  

 small  (but  triggers  s=mula=on)    dominates  

•  A  laser  diode  (LD)  is  a  semiconductor  op=cal  amplifier  (SOA)  that  has  an  op=cal  feedback.  

•  A  semiconductor  op=cal  amplifier  is  a  forward-­‐biased  heavily-­‐doped  p+-­‐n+  junc=on  fabricated  from  a   direct-­‐bandgap  semiconductor  material.  

•  The  injected  current  is  sufficiently  large  to  provide  op=cal  gain.  

•  The  op=cal  feedback  is  usually  implemented  by  cleaving  the  semiconductor  material  along  its  crystal   planes.  

•  The  sharp  refrac=ve  index  difference  between  the  crystal  (~3.5)  and  the  surrounding  air  causes  the   cleaved  surfaces  to  act  as  reflectors.  

  ⇒  The  semiconductor  crystal  therefore  in  general  can  act  both  as  a  gain  medium  and  as  a  Fabry-­‐

Perot  op=cal  resonator.  

•  Provided  that  the  gain  coefficient  is  sufficiently  large,  the  feedback  converts  the  op=cal  amplifier  into   an  op=cal  oscillator,  i.e.  a  laser.  

•  The  device  is  called  a  laser  diode  or  a  diode  laser  or  a  semiconductor  injec=on  laser.  

No  bias   posi=ve  

Forward  bias   nega=ve  

The  cleaved  surfaces  func=on  as  the  mirrors  of  the  op=cal  cavity  

Current  injec=on  

Ac=ve  region  

The  large  change  in  index  of  refrac=on  

From  inside  the  semiconductor  (e.g.  in  

GaAs  n=3.38)  to  the  outside  air  (n=1)  is   sufficient  for  large  reflec=on  values  at  R

2

.  

Cleaved  facets  

Gain  medium  

Laser  output  

R

1  

R

2  

Cavity  length  D  

For  GaAs  to  air:  

R =

( )

( )

2

2

=

(

(

3 .

38

3 .

38

+

1

1

)

) 2

2

= 29 .

5 % @ 1 .

5 µ m

Semiconductor  as  a  gain  medium  

The  basic  principle:    crea=on  of   popula"on   inversion :  s"mulated  emission  becomes  more  prevalent   than  absorp"on.  The  popula"on  inversion  is  usually  a\ained  by  electric-­‐current  injec"on  in  some  form   of  a  p + -­‐n +   func=on  diode  (also  possible  by  op"cal  pumping  for  basic  research)  

 

!

   a  forward  bias  voltage  causes  carrier  pairs  to  be  injected  into  the  func=on  region,  where  they   recombine   by   means  of  s"mulated   emission .  

Here  we  discuss  the  semiconductor  gain  and  bandwidth  upon  electrical  pumping  scheme.  

No  bias   posi=ve  

Forward  bias   electrons  

Focus  here   nega=ve  

electrons  

E

Fc  

E

g  

E

Fv   holes  

E

Fc   h υ

Absorp=on  not  possible  

E

Fv   x  

Electrons  are  flowing  into  the  conduc=on  band  while  

Holes  are  flowing  into  the  valence  band.  The   popula=ons  density  of  electrons  and  holes  at  the  band   edges  is  inverted.  

E

g  

Enter  a  photon  with  energy  just  above  E g

.  Absorp<on   is   impossible  because  there  are  now  electrons  in  the   lower  energy  state  and  there  are  photons  in  the  upper   energy  state.  

E g

<

h υ

<

(

E

Fc

E

Fv

)

( E

Fc

− E

Fv

)

> h

υ

> E g

The  photon  can,  however,  s<mulate  emission.  

An  electron  is  triggered  to  drop  into  the   valence  band  (combining  with  a  hole  there).  A   photon  is   emiAed ,  doubling  the  photon   density.    

If  the  original  photon  traveled  in  the  correct   direc=on,  this  can  be  repeated:  double,   quadruple,  eight-­‐fold….        LASing!   h υ

E

Fc  

E

Fv  

LASing  starts  

 

 

 

 

 

 

 

Popula=on  inversion  in  a  forward-­‐biased  heavily  doped  p + -­‐n +  junc=on  

E

E g

active region

(~ m h

m)

υ

E

E g

Fc

 

 

 

 

Fv

 

 

 

Upon  high  injec=on  carrier  density  in  a  heavily-­‐doped  p + -­‐n +  junc=on  there  exists  an  ac=ve  region  near  the   deple=on  layer,  which  contains  simultaneously  heavily  populated  electrons  and  holes  –  popula=on   inverted!  

 

Opposed  to  the  shown  schema=c,  the  light  is  emi\ed  out  of  the  plane  of  the  paper.  

Download