• LASER STRUCTURE Homojunction laser
  • Heterojunction Lasers
  • Laser structure




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    OE-14 Laser Technology
    Unit 4
    Part 4
    Master of Technology 
    Semester I
    Dr. Vivek Kant Jogi


    LASER STRUCTURE
    Homojunction laser
    : which uses a single junction. These are fabricated of a
    single junction between
    two direct-bandgap materials
    of the same type, one p-type
    and one n-type, that is called a homojunction since both materials are of the same
    type. Light is emitted by electron–hole pair recombination's in the thin active region
    formed by the junction of the two materials (the depletion region).
    Mainly gallium arsenide (GaAs) is used, with each part of the device doped slightly
    differently: one part with an electron donor and one part with an electron acceptor.
    Mirrors for the laser cavity are fabricated simply by cleaving the crystal at right angles
    to the laser axis. Having an index of refraction of 3.7, the reflectivity of each mirror
    may be calculated to be 33% by using the Fresnel equations. This represents a large
    loss in the cavity; Improved performance may be achieved by fabricating a single
    dielectric mirror, composed of alternating quarter-wavelength-thick layers of high-
    and low-index-of-refraction materials, at the HR end of the laser diode.




    Heterojunction Lasers
    : two interfaces of different indexes of refraction,
    one on top and one below the active region, so two junctions are formed in what
    is called a heterostructure laser diode, or a double heterostructure, since there are
    two
    confining
    interfaces.
    The
    double-heterostructure
    arrangement
    confines
    intracavity light in only one direction (top and bottom) of the GaAs layer, further
    improvement in performance can be made by manufacturing the device so that a
    confining dielectric interface exists on all four sides of the active region in a
    buried
    heterostructure laser



    Single Heterojunction Laser under 
    forward bias
    Double Heterojunction Laser under 
    forward bias


    Use of single Heterojunction for carrier
    confinement
    AlGaAs
    Heterojunction
    grown on thin p-type GaAs layer


    A double-heterojunction laser structure ,
    multi layers used confine injected carriers
    and provide wave guiding for light.
    A strip geometry designed to
    restrict the current injection to a
    narrow stripe along the lasing
    direction.
    One
    of
    many
    methods
    for
    obtaining the strip geometry , this
    example is obtain by proton
    bombardment
    of
    the
    shaded
    region which converts the GaAs
    and AlGaAs to semi-insulating
    form.


    In order to fabricate a double heterostructure, it is necessary to find materials that
    can be grown on these substrates, which have bandgaps different from the substrate
    material, and which have a lattice constant compatible with the substrate.
    The simplest example is
    AlxGa1-xAs
    , which consists of two group III elements (Al and
    Ga) and one group V element.
    The bandgap increases with the Al fraction (x), but the
    lattice constant remains nearly unchanged
    . A constant lattice constant is important in
    order to avoid the formation of defects during the growth of the material. A double
    heterostructure semiconductor laser is formed by having an active layer with a low Al
    content, and confinement layers with a high Al content.
    The difference in Al content
    must be sufficiently high to ensure sufficient carrier confinement.
    The photon energy
    for the laser is slightly higher than the bandgap of the active layer, and by changing
    the Al fraction in the active layer, this photon energy can be changed, resulting in
    lasers with wavelengths in the 800 – 900 nm range.
    Because the photon energy is higher than the bandgap of the substrate (GaAs), the
    lower cladding layer must be sufficiently thick to avoid absorption losses in the
    substrate.
    More design flexibility is possible by using two group III and two group V materials.
    The prime example is In1-xGaxAsyP1-y. Lattice matching to an InP substrate is
    achieved by having x ~ 0.47y and the second degree of freedom in the composition
    can be used to vary the bandgap, and hence the wavelength.
    This makes it possible to
    fabricate lasers with wavelengths from around 1100 nm to nearly 1700 nm
    , covering
    the important ‘telecommunications’ wavelengths around 1300 and 1550 nm.


    The most commonly used technique for growth of heterostructures is metal-organic
    chemical vapour phase epitaxy (
    MOVPE
    ). Hydrides such as arsine (AsH3), phosphine
    (PH3) and organometallics such as tri-methyl-gallium Ga(CH3)3 and tri-ethylindium
    In(CH3)3 are carried by hydrogen and react on the surface of the wafer. The material
    composition is controlled by adjusting the flow rate of the various sources. Large
    wafers can be grown, and some reactors allow multi-wafer handling, making this
    technique suitable for large volume manufacturing. MOVPE requires very stringent
    safety measures due to the toxicity of the hydrides.


    Micrograph of widely tunable laser from Bookham Technology. This particular structure,
    known as the ‘
    digital supermode structure
    ’ has multiple individually contacted gratings
    in the front section. Courtesy Bookham Technology.




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