Российская Академия наук
Учреждение Российской академии наук
Санкт-Петербургский Академический университет –
научно-образовательный центр нанотехнологий РАН
«УТВЕРЖДАЮ»
Проректор по высшему образованию
д. ф.-м. н., чл.-корр. РАН
Рабочая программа дисциплины СДМ.02
«Полупроводниковые лазеры»
образовательной программы опережающей профессиональной подготовки (уровень – магистратура), ориентированной на потребности проектных компаний , реализующих инвестиционные проекты в области твердотельной светотехники
Кафедра Физики и технологии наногетероструктур
Санкт-Петербург
2011
Программа курса составлена на основании технического задания к договору оказания услуг № РН-3 от 31 января 2011 г. между Фондом инфраструктурных и образовательных программ и учреждением Российской академии наук Санкт-Петербургским Академическим университетом – научно-образовательным центром нанотехнологий РАН.
Программа курса рассмотрена и утверждена на заседании Президиума Ученого совета СПб АУ НОЦНТ РАН, протокол № ПР-9/2011 от «14» апреля 2011 г.
Ректор СПб АУ НОЦНТ РАН академик РАН
Начальник учебного управления
Программу курса разработал д. ф.м. н., чл.-корр. РАН
©
1. Цели изучения дисциплины
1.1. Цель – подготовка магистров, ориентированных на потребности проектных компаний , реализующих инвестиционные проекты в области твердотельной светотехники.
1.2. Категория обучаемых: магистры, специализирующиеся в области твердотельной светотехники.
1.3. Предмет изучения дисциплины
Курс «Полупроводниковые лазеры» построен как одна из заключительных дисциплин магистерского образования. Курс направлен на подготовку магистров в области теоретических и технологических основ современных лазеров на основе полупроводниковых соединений, в том числе с активной областью на основе полупроводниковых наноструктур.
В рамках курса студент получает представление о физических основах функционирования полупроводниковых лазеров. Рассматриваются приборные характеристики лазеров, их взаимосвязь с внутренними параметрами лазерной структуры, пути оптимизации. Значительное внимание уделяется вопросам, связанным с оптикой полупроводниковых лазеров. Рассматривается взаимосвязь размерности активной области и характеристик лазера, особенности, обусловленные размерным квантованием. Обсуждаются некоторые специальные вопросы полупроводниковых лазеров.
1.4. Место курса в образовательной программе
Курс дается в XI семестре параллельно с курсом «Оптические системы коммуникации» и «Светодиоды». Курс является специальной технической дисциплиной, овладев которой студенты получат знания, необходимые для успешной профессиональной деятельности и выполнения самостоятельной научной работы. Работа включает в себя освоение теории и приобретение навыка использования ее аппарата. Последнее достигается выполнением практических занятий.
Для его успешного освоения студентам необходимо обладать знаниями по физике твердого тела, иметь представления о функционировании полупроводникового p-n диода, обладать знаниями в области электродинамики и квантовой механики
2. Требования к результатам освоения содержания дисциплины
2.1. В результате изучения дисциплины слушатели должны приобрести следующие знания:
· теоретические основы усиления и генерации света;
· принцип работы и устройство инжекционного полупроводникового лазера;
· особенности полупроводниковых лазеров, обусловленные использованием в активной области квантоворазмерных наноструктур;
· технология изготовления и методы диагностики современных полупроводниковых лазеров;
· современный уровень, основные тенденции и перспективы развития полупроводниковых лазеров;
2.2. В результате изучения дисциплины слушатели должны приобрести следующие умения и навыки:
· уметь определить основные приборные характеристики инжекционного лазера на основе известных внутренних параметров лазерной структуры;
· уметь рассчитывать зависимости пороговой плотности тока и порогового тока от длины лазерного резонатора для лазера на основе квантовой ямы.
3. Содержание курса
3.1. Объем дисциплины и виды учебной нагрузки
Виды занятий и формы контроля | 11 семестр |
Лекции, ч/нед. Самостоятельная работа, ч/нед Лабораторная работа, кол./сем. Практические занятия, кол./сем. Курсовая работа, кол./сем. Зачеты, кол./сем. Экзамены, кол./сем. | 2 1 0 0 0 0 1 |
3.2. Содержание дисциплины
Разделы дисциплины и виды занятий
Разделы программы | Лекции | Практ. занятия | Самост. работа |
Тема 1. Физические основы полупроводниковых лазеров | 6 | 0 | 4 |
Тема 2. Основные характеристики инжекционного лазера | 6 | 0 | 5 |
Тема 3. Оптика полупроводниковых лазеров | 7 | 0 | 5 |
Тема 4. Лазеры на основе наноструктур | 9 | 0 | 5 |
Тема 5. Специальные вопросы полупроводниковых лазеров | 6 | 0 | 5 |
Итого | 34 | 0 | 24 |
Трудоемкость дисциплины | 58 |
3.3. Содержание разделов дисциплины
Раздел 1. Физические основы полупроводниковых лазеров.
Основные представления о зонной структуре полупроводников. Равновесная и неравновесная концентрации носителей заряда. Способы создания неравновесной концентрации носителей. Процессы рекомбинации. Связь между током инжекции и концентрацией неравновесных носителей. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода при больших накачках. Спонтанное и стимулированное излучение. Статистика Ферми. Квази-уровни Ферми. Инверсия заселенности, условие ее достижения. Оптическое усиление. Волноводный эффект. Оптический резонатор. Общее представление о структуре полупроводникового лазера.
Раздел 2. Основные характеристики инжекционного лазера.
Спектр усиления, ток прозрачности. Пороговый ток лазера. Условие порога лазерной генерации. Оптические потери. Внешняя дифференциальная эффективность. КПД лазера. Скоростные уравнения. Вывод зависимости оптической мощности от тока инжекции. Внутренняя дифференциальная квантовая эффективность. Зависимость пороговой плотности тока и дифференциальной эффективности от температуры. Саморазогрев лазера, тепловой загиб ватт-амперной характеристики. Последовательное сопротивление и его компоненты. Тепловое сопротивление лазера, схемы монтажа лазерного диода.
Практическое занятие: Расчет зависимости кпд лазера от тока инжекции при известных параметрах диода. Нахождение максимального КПД.
Раздел 3. Оптика полупроводниковых лазеров
Понятие оптической моды. Продольные, латеральные и вертикальные волноводы торцевого лазера. Вывод дисперсионного уравнения для вертикального трехслойного волновода. Условие одномодового волновода. Случай широкого волновода. Эффективный диаметр моды. Фактор оптического ограничения, различие понятий модового и материального усилений, уточненное выражение для порогового условия. Фактор оптического ограничения в случае узкой активной области. Простанственно-одномодовые лазеры. Варианты конструкции для латеральной локализации оптической моды и растекания тока. Одночастотные лазеры. Спектр продольных мод. Варианты конструкции для достижения одночастотной генерации. Расходимость лазерного излучения, Гауссовские лучи, связь расходимости и фактора оптического ограничения. Метод Хаки-Паоли для измерения спектра усиления.
Практическое занятие: Расчет фактора оптического ограничения для лазера с вертикальным волноводом AlGaAs/GaAs с узкой активной областью.
Раздел 4. Лазеры на основе наноструктур
Плотность состояний. Вывод вида плотности состояний для трехмерного кристалла. Приведенная плотность состояний. Связь зависимости оптического усиления от тока накачки с видом плотности состояний. Оценка плотности тока прозрачности для лазера на основе объемного полупроводника. Лазер на двойной гетероструктуре, связь модового усиления и тока прозрачности с шириной активной области. Лазер с раздельным ограничением. Оптимальная ширина волновода. Плотность состояний в случае двумерной квантовой ямы. Влияние неидеальности квантовой ямы. Зависимость усиления от тока для квантовой ямы. Зависимость пороговой плотности тока и порогового тока от длины лазерного резонатора. Идеальный массив квантовых точек, плотность состояний, оптическое усиление, пороговая плотность тока. Лазеры на основе самоорганизующихся квантовых точек, влияние неоднородного уширения, возбужденные состояния, влияние матрицы. Многослойные массивы квантовых точек, пороговая плотность тока и оптимальная плотность квантовых точек. Зависимость характеристической температуры от размерности активной области.
Практическое занятие: Расчет зависимости пороговой плотности тока и порогового тока от длины лазерного резонатора для лазера на основе квантовой ямы.
Раздел 5. Специальные вопросы полупроводниковых лазеров
Температурная стабилизация характеристик лазера: детюнинг длины волны генерации, квантовые точки в активной области, принудительное охлаждение, оптическая обратная связь, автоматическая подстройка цепи питания. Мощные полупроводниковые лазеры, ограничение оптической мощности, вызванное темпом захвата носителей, саморазогревом, катастрофическим разрушением зеркал. Общие представления о надежности лазерных диодов, различные механизмы дерадации, темп отказов, среднее время до отказа, испытания по ускоренному старению. Модуляционные характеристики полупроводниковых лазеров, релаксационные колебания, демпфирование, другие механизмы ограничения предельной частоты прямой модуляции. Лазеры с синхронизацией мод, принцип, основные понятия, техническая реализация.
3.4. Темы практических занятий
Номер темы занятия | Наименование темы практического занятия |
2 | Расчет зависимости кпд лазера от тока инжекции при известных параметрах диода. Нахождение максимального кпд |
3 | Расчет фактора оптического ограничения для лазера с вертикальным волноводом AlGaAs/GaAs с узкой активной областью |
3 | Расчет зависимости пороговой плотности тока и порогового тока от длины лазерного резонатора для лазера на основе квантовой ямы |
3.5. Виды самостоятельной работы
3.5.1 Виды самостоятельной аудиторной работы под руководством преподавателя:
· Участие в практикумах.
· Решение тестовых заданий.
· Выполнение расчетных заданий.
3.5.2 Виды самостоятельной аудиторной работы без участия преподавателя:
· Самостоятельное изучение лекционного материала и учебных пособий.
· Подготовка к практическим занятиям.
· Подготовка к тестированию.
4. Формы контроля по курсу. Критерии оценки знаний, умений, навыков
Итоговая оценка складывается из оценки, полученной по результатам как текущего, так и итогового контроля.
Итоговый контроль.
Для контроля усвоения данного курса учебным планом предусмотрен зачет и экзамен в форме устного ответа на предложенные вопросы, оценка за который составляет 60% итоговый оценки. Зачет охватывает содержание изучаемой дисциплины. Срок и место проведения зачета планируется расписанием. Зачет принимается преподавателем - лектором.
Обучаемый допускается к сдаче экзамена, если он посетил не менее 75% лекций и не менее 75% практических занятий, предусмотренных рабочей программой, а также успешно выполнил задания текущего контроля в процессе обучения (оценка не ниже «удовлетворительно»).
Текущий контроль. В процессе изучения курса слушатели должны выполнить задания текущего контроля в форме промежуточного теста, оценка за который составляет 40% итоговый оценки. Количество тестовых заданий не менее 20.
Критерии оценки знаний, умений, навыков
При оценивании знаний слушателей при выполнении промежуточного теста:
Оценка «отлично» выставляется, если слушатель правильно ответил на 86-100 % вопросов теста.
Оценка «хорошо» выставляется, если слушатель правильно ответил на 71-85% вопросов теста.
Оценка «удовлетворительно» выставляется, если слушатель правильно ответил на 50-70 % вопросов теста.
Оценка «неудовлетворительно» выставляется, если слушатель не ответил правильно по крайней мере на 50% вопросов теста.
При оценивании знаний слушателей в ходе итогового экзамена слушателю предлагается дать развернутые ответы на два вопроса билета. Ответы за каждый вопрос оцениваются отдельно. Общая оценка за зачет складывается по итогам оценки на оба вопроса.
Критерии оценки. При оценивании знаний слушателей и проверке выполнения практических заданий оценка выставляется по каждому практическому заданию. Общая оценка за практический блок является среднеарифметической оценкой по итогам выполнения практических заданий.
При оценивании знаний слушателей при выполнении лабораторной работы:
Оценка «отлично» выставляется, если:
· усвоена теоретическая часть работы;
· правильно сформулирована цель работы;
· правильно изложен алгоритм выполнения работы;
· работа выполнена по утвержденной процедуре и соответствует полученному заданию;
· выводы грамотно сформулированы, обоснованы и соответствуют исходной информации;
Оценка «хорошо» выставляется, если:
· усвоена теоретическая часть работы;
· правильно сформулирована цель работы;
· допущены неточности при изложении алгоритма выполнения работы;
· работа выполнена по утвержденной процедуре и соответствует полученному заданию;
· не все выводы соответствуют исходной информации, нарушена логика изложения материала;
Оценка «удовлетворительно» выставляется, если:
· не полностью усвоена теоретическая часть работы;
· правильно сформулирована цель работы;
· допущены неточности при изложении алгоритма выполнения работы;
· работа выполнена, но с нарушением утвержденной процедуры;
· структура работы не полностью соответствует полученному заданию;
· не все выводы соответствуют исходной информации, нарушена логика изложения материала;
Оценка «неудовлетворительно» выставляется, если:
· не усвоена теоретическая часть работы;
· не правильно сформулирована цель работы;
· не изложен алгоритм выполнения работы;
· структура работы не соответствует полученному заданию;
· выводы не обоснованы, нарушена логика изложения материала;
· в работе допущены ошибки;
5. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
5.1. Вопросы для подготовки к экзамену:
1. Возникновение свободных носителей заряда в полупроводнике. Равновесный и неравновесный случаи.
2. Зависимость порогового тока лазера на квантовых ямах от параметров усиления и резонатора. Минимальный пороговый ток. Влияние числа квантовых ям.
3. Рекомбинация носителей заряда. Общие представления об устройстве светоизлучающео диода. Идеализированная вольт-амперная характеристика. Компоненты последовательного сопротивления.
4. Плотность состояний для квантовой ямы. Учет возбужденных подзон. Оценка плотности тока прозрачности для КЯ-лазера. Вид зависимости усиления от плотности тока накачки.
5. Статистика Ферми. Равновесный и квазиравновесный случаи.
6. Идеальный массив квантовых точек. Плотность состояний. Зависимость оптического усиления от плотности тока накачки. Связь параметров усиления с характеристиками массива КТ.
7. Вынужденное излучение. Инверсия заселенности. Необходимое условие вынужденного излучения в полупроводнике.
8. Температурная зависимость пороговой плотности тока. Зависимость характеристической температуры от размерности активной области. Влияние утечек.
9. Оптический резонатор. Полное внутреннее отражение и волноводный эффект. Двойная гетероструктура. Резонатор Фабри-Перро.
10. Влияние напряжения рассогласования на электронные и дырочные уровни. Псведоморфный и метаморфный режимы роста. Критическая толщина. Степень релаксации.
11. Оптическое усиление и оптические потери. Пороговое условие, пороговый ток.
12. Механизмы ограничения выходной мощности полупроводникового лазера. Тепловое сопротивление. Саморазогрев активной области. Катастрофическое разрушение зеркал.
13. Основные приборные характеристики инжекционного лазера. Идеализированные ватт-амперная и вольт-амперная характеристики, КПД.
14. ДГС лазер: общие представления. Характер распределения носителей в активной области. Модовое усиление в ДГС лазере. Связь характеристик с шириной активной области.
15. Особенности полупроводниковых квантовых ям. Понятие энергии локализации. Энергия оптического перехода. Учет неидеальности квантовой ямы.
16. Пороговая плотность тока и ее связь с пороговым усилением. Дифференциальное усиление и плотность тока прозрачности. Зависимость пороговой плотности тока от длины лазерного резонатора.
17. Понятие об оптических модах. Фактор оптического ограничения. Продольные и поперечные моды. Одночастотный лазер.
18. Пространственно одномодовый и многомодовый лазеры. Распределение интенсивности излучения в дальнем поле. Латеральное растекание тока.
19. Пороговая плотность тока лазера на квантовых точках – идеальный случай и влияние неоднородного уширения. Переход к генерации через возбужденное состояние. Методы увеличения насыщенного усиления и дифференциальной эффективности.
20. Плотность электронных состояний. Вывод для 3-мерного полупроводника. Оценка плотности тока прозрачности для 3-мерного полупроводника.
21. Модуляционные характеристики инжекционного лазера, релаксационные колебания.
22. Связь между оптическим усилением и плотностью тока накачки через темпы спонтанного и вынужденного излучения. Влияние вида плотности состояний.
23. Общие представления о надежности полупроводниковых лазеров.
24. Концепция РОДГС лазера. Фактор оптического ограничения и модовое усиление. Сравнение с ДГС лазером.
25. Внешняя и внутренняя дифференциальные эффективности. Связь с оптическими потерями.
26. Лазеры с синхронизацией мод. Общие представления. Насыщающийся поглотитель. Реализация монолитного лазера с пассивной синхронизацией.
5.2. Список рекомендуемой основной и дополнительной литературы
5.2.1. Основная литература.
1. Физика полупроводниковых лазеров : пер. с яп. / [Т. Камия, М. Оцу, Е. Ямамото и др.] ; пер. , ; под ред. Х. Такумы.— Москва : Мир, 1989 .— 310 с.
2. Кейси, Х. Лазеры на гетероструктурах : Пер. с англ. В 2 т. / Х. Кейси, М. Паниш.— Москва : Мир, 1981.
3. , Лазеры на основе полупроводниковых наноструктур, СПб.: / Изд-во «Элмор», 2007. 304 с.
5.2.2. Дополнительная литература
1. Розеншер, Э. Оптоэлектроника: пер. с фр. / Э. Розеншер, Б. Винтер.— М. : Техносфера, 2004 .— 589 с.
2. Ермаков, оптоэлектроника / .— М. : Техносфера, 2004 .— 414 с.
3. Алферов, и будующее полупроводниковых гетероструктур / // Научно-технические ведомости СПбГТУ.— Санкт-Петербург. — 2005 .— №2(40) .— С.8-26.
4. Фриман, Р. Волоконно-оптические системы связи / Р. Фриман ; пер. с англ. под ред. .— 3-е изд., доп.— М. : Техносфера, 2006 .— 495 с.
5. Янг, Матт. Оптика и лазеры, включая волоконную оптику и оптические волноводы : пер. с англ. / М. Янг ; под ред. .— М. : Мир, 2005 .— 541 с.
6. Ландау, физика. Т.3, Квантовая механика: Нерелятивистская теория : Учеб. пособие для ун-тов.— 4-е изд., испр.— М. : Наука, 1989 .— 767 с.
7. Зи, С. Физика полупроводниковых приборов. Кн.1 .— М. : Мир, 1984 .— 456 с.2кн
