Что такое лазерные диоды и типы лазерных диодов

Лазерные диоды: крошечные устройства, движущие глобальную технологическую революцию

В 2025 году учёные из Рочестерского университета и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре успешно разработали микролазер, настолько миниатюрный, что его можно поместить на монету в один пенни. Этот лазер способен менять свою оптическую частоту со скоростью 2 квинтиллиона раз в секунду и обладает чрезвычайно узкой шириной линии излучения — всего 167 герц, что представляет собой настоящее технологическое чудо.

Эта революционная технология ляжет в основу следующего поколения автономных транспортных средств, космических научных приборов и высокоточных часов, демонстрируя огромный потенциал технологии лазерных диодов.

Что такое лазерные диоды?

Лазерный диод (ЛД) — это устройство, использующее полупроводниковый материал в качестве активной среды для генерации лазерного излучения посредством вынужденного излучения. В отличие от обычных источников света, свет, излучаемый лазерным диодом, обладает высокой когерентностью, направленностью и монохроматичностью.

Принцип его работы основан на теории «стимулированного излучения», предложенной Эйнштейном в 1917 году. При прямом смещении лазерного диода электроны и дырки рекомбинируют в p-n-переходе, испуская фотоны. Эти фотоны отражаются друг от друга между отражающими поверхностями, ударяясь о другие атомы и вызывая излучение новых фотонов, в конечном итоге формируя интенсивный лазерный луч, выходящий через частично отражающую поверхность. Суть лазерного диода заключается в инжекции носителей заряда и стимулированном излучении фотонов. При прохождении тока через полупроводниковый материал электроны возбуждаются и переходят на более высокий энергетический уровень (зону проводимости), в то время как дырки остаются на более низком энергетическом уровне (валентную зону).

Энергия высвобождается при рекомбинации электронов с дырками, испуская фотоны. Эти фотоны отражаются туда и обратно внутри резонансной полости и многократно усиливаются, в конечном итоге формируя выходное излучение лазера.

Структура лазерных диодов

Лазерные диоды состоят из нескольких основных компонентов: полупроводниковый материал обеспечивает зонную структуру, позволяющую инжекцию и рекомбинацию носителей заряда; pn-переход облегчает инжекцию тока, создавая разницу в концентрации носителей заряда; резонансная полость обеспечивает оптическую обратную связь через зеркала; инжекция тока обеспечивает энергию для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости.

Оптические компоненты играют решающую роль в лазерных диодах: оптическое окно служит защитным барьером на выходе лазера, обеспечивая как высокую светопропускающую способность, так и устойчивость к воздействию окружающей среды. В мощных лазерах с торцевым излучением (EEL) часто используются алмазные окна с теплопроводностью до 2000 Вт/м·К, что обеспечивает превосходное рассеивание тепла.

Зеркало  — ещё один ключевой компонент. Интегрированные зеркала  , такие как распределённые брэгговские отражатели (DBR), состоящие из десятков чередующихся слоёв AlGaAs/GaAs, могут достигать коэффициента отражения более 99,9% и играют ключевую роль в лазерах с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL).

Типы лазерных диодов

По конструкции и сферам применения лазерные диоды можно разделить на несколько типов:

Лазеры с торцевым излучением (EEL)

Лазеры с торцевым излучением (EEL)  излучают свет со сколотой грани на краю кристалла, формируя эллиптический луч (угол расхождения приблизительно 30°×10°). Типичные длины волн: 808 нм (для накачки), 980 нм (для связи) и 1550 нм (для волоконно-оптической связи). Они широко используются в мощных промышленных установках резки, в качестве источников накачки волоконных лазеров и в магистральных оптических сетях связи.

Вертикально-излучающие лазеры с поверхностным излучением (VCSEL)

Вертикально-резонаторные лазеры поверхностного излучения (VCSEL)  излучают свет перпендикулярно поверхности кристалла, формируя круговую симметричную диаграмму направленности (угол расхождения <15°). Они оснащены распределёнными брэгговскими отражателями (DBR) и не требуют внешних зеркал. Они широко используются в трёхмерных системах сканирования (например, для распознавания лиц на смартфонах), оптической связи ближнего действия (в центрах обработки данных) и лидарах (LiDAR).

Квантовые каскадные лазеры (QCL)

Квантовые каскадные лазеры (ККЛ)  работают на основе каскадных переходов электронов между квантовыми ямами, охватывая средний и дальний инфракрасный диапазон (3–30 мкм) и не требуя инверсии населённости. Они используются в основном для измерения газов (например, CO₂), терагерцовой визуализации и мониторинга окружающей среды.

Лазерные диоды типа «бабочка» DFB (DFB)

Лазерные диоды DFB Butterfly  имеют стандартный корпус типа «бабочка», включающий термоэлектрический охладитель (ТЭО), термистор и контрольный фотодиод (ФД) с обратной стороны, со стандартной 14- или 7-выводной разводкой. Эти лазерные диоды DFB обладают высокой стабильностью частоты (дрейф длины волны <1 пм/°C) и низким уровнем шума (относительная интенсивность шума < -150 дБ/Гц). Они в основном используются в системах связи с плотным спектральным уплотнением каналов (DWDM), когерентной оптической передачей и высокоскоростной модуляцией (28 Гбит/с и выше). Герметичный корпус обеспечивает долговременную надежность даже в суровых условиях эксплуатации.

Перестраиваемые лазеры

Перестраиваемые лазеры  используют конструкцию с внешним резонатором (решетка/призма/МЭМС-зеркало), обеспечивая диапазон перестройки длины волны до ±50 нм, узкую ширину линии (<100 кГц) и высокий коэффициент подавления боковых мод (>50 дБ). Они широко используются в системах связи с плотным спектральным уплотнением (DWDM), спектроскопическом анализе и биомедицинской визуализации.

Параметры лазерных диодов

Основные параметры производительности лазерных диодов:

Технологические преимущества лазерных диодов

Лазерные диоды обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционными источниками света:

Лазерные диоды обладают высокой эффективностью электрооптического преобразования, достигающей 30–50%. Они малы по размеру и весу, обычно порядка миллиметров, что позволяет интегрировать их в различные миниатюрные устройства.

Лазерные диоды также обладают такими преимуществами, как низкое рабочее напряжение (для работы требуется всего несколько вольт), высокая скорость модуляции (поддержка частот модуляции до десятков ГГц) и длительный срок службы (способность стабильно работать в течение десятков тысяч часов при достаточном отводе тепла).

Лазерный луч можно сфокусировать в очень маленькое пятно, что обеспечивает эффективную передачу световой энергии и сохранение её первоначальной яркости на очень больших расстояниях. Благодаря высокой степени коллимации лазерного луча его энергия очень концентрирована, что делает его пригодным для использования в мощных системах.

Передовые исследования в области лазерных диодов

Международные исследовательские группы продолжают совершать прорывы в технологии лазерных диодов. В 2025 году международная исследовательская группа под руководством Наньянского технологического университета (NTU) в Сингапуре успешно разработала новый тип сверхкомпактного лазера микронного размера, размером меньше песчинки.

В этом лазере используется специальная конструкция, которая значительно уменьшает проблемы с утечкой света, что приводит к снижению оптических потерь и значительному сокращению потребления энергии по сравнению с другими сверхкомпактными лазерами.

Исследовательская группа умело объединила два физических механизма: плоские зоны и связанные состояния в континууме (BIC). Структура плоских зон в фотонном кристалле позволяет групповой скорости световых волн в определённых энергетических диапазонах приближаться к нулю, эффективно ограничивая световую энергию внутри лазерного резонатора.

Механизм BIC использует интерференцию световых волн для нейтрализации компонента утечки, достигая эффективного ограничения света в трехмерном пространстве.

На основе этих двух механизмов исследователи разработали новую структуру лазерного резонатора: периодический массив микроотверстий в форме ромашки внутри полупроводникового фотонного кристалла, расположенного между двумя золотыми пленками.

Эта уникальная конструкция позволяет одновременно подавлять утечку, рассеивание и потери излучения и считается «оптимальным решением для подавления трехмерной утечки света».

Также в 2025 году ученые из Университета Рочестера и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре создали лазер в масштабе микросхемы, в котором использовался синтетический кристалл под названием ниобат лития.

При подаче напряжения этот материал изменяет характер распространения света внутри него (эффект Поккельса), что является ключом к исключительным характеристикам лазера.

Этот лазер может менять свою оптическую частоту со скоростью 2 квинтиллиона раз в секунду и имеет чрезвычайно узкую ширину линии — всего 167 герц. Он способен перестраиваться в диапазоне частот 24 гигагерца, не пропуская ни одной частоты, что более чем в 10 раз превосходит многие существующие системы.

Применение лазерных диодов и DFB-лазерных диодов

Применение лазерных диодов проникло во все аспекты современных технологий:

В оптической связи лазерные диоды с волноводом DFB (DFB) с длиной волны 1310 нм и 1550 нм, используемые в волоконно-оптических системах связи, являются основными компонентами источника света. Высокая частота и эффективность лазеров имеют основополагающее значение для надлежащей работы волоконно-оптических систем связи.

В промышленной обработке мощные лазерные диоды используются для лазерной резки, сварки и маркировки. Технология лазерной резки позволяет точно резать различные материалы, такие как металлы и пластики, а лазерная сварка обеспечивает высококачественные и прочные сварные швы.

В медицине лазерные диоды используются в лазерной хирургии, фотодинамической терапии (ФДТ) и различных диагностических устройствах. Лазерная коррекция зрения стала распространённым методом лечения таких заболеваний, как близорукость, дальнозоркость и астигматизм. Используя точные методы лазерной резки, врачи могут изменить форму глаза для коррекции зрения, не повреждая окружающие ткани.

В области зондирования и измерения дальности лидар широко используется для автономного вождения и восприятия окружающей среды. Самые продвинутые версии лидара — лидар с частотно-модулированным непрерывным излучением (FMCW) — требуют лазера, способного быстро и плавно менять частоту, что и делают новейшие чип-лазеры.

В системах хранения данных лазерные диоды используются в качестве источника света для чтения/записи в устройствах CD/DVD/Blu-ray.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В: В чем разница между лазерами DFB и DBR?

A: Основное отличие заключается в интеграции дифракционной решетки относительно активной среды. В лазере с распределённой обратной связью (DFB) решётка Брэгга равномерно протравлена ​​непосредственно в активной области усиления по всему резонатору, обеспечивая распределённую обратную связь и гарантируя стабильную одномодовую работу. В отличие от этого, в лазере с распределённым брэгговским отражателем (DBR) функции физически разделены: отдельные секции решётки действуют как зеркала на концах резонатора, а центральная секция обеспечивает оптическое усиление, что обеспечивает более широкую перестройку длины волны.

В: В чем разница между лазером FP ​​и лазером DFB?

A: Лазер с резонатором Фабри-Перо (FP) использует естественные сколотые грани полупроводникового кристалла для формирования резонатора Фабри-Перо, что приводит к излучению нескольких продольных мод с широкой спектральной шириной. В отличие от этого, лазер с распределенной обратной связью (DFB) использует периодическую решетку Брэгга непосредственно в резонаторе лазера для обеспечения распределенной обратной связи, что обеспечивает высокостабильную работу с одной продольной модой и узкой шириной линии, что крайне важно для передачи данных на большие расстояния и с высокой скоростью передачи данных.

В: Каков принцип работы DFB-лазера?

A: Работа DFB-лазера основана на распределенной обратной связи от постоянной брэгговской решетки, гофрированной непосредственно над активным слоем, что обеспечивает селективное по длине волны отражение по всей длине резонатора.

В: Что такое лазер с распределенной обратной связью?

A: Лазер с распределенной обратной связью (DFB) — это тип полупроводникового лазера, который обеспечивает стабильное одночастотное излучение за счет включения периодической структуры брэгговской решетки непосредственно в его активный резонатор для обеспечения распределенной обратной связи, селективной по длине волны, эффективно подавляя все продольные моды, кроме одной, для узкой ширины выходной линии.

В: Какова структура DFB-лазера?

A: Основная структура DFB-лазера включает в себя решетку Брэгга — периодическую гофру, вытравленную непосредственно в волноводном слое, прилегающем к активной области усиления, образуя монолитную полость, в которой решетка обеспечивает распределенную обратную связь по всей длине усиливающей среды, а не полагается на отдельные зеркала.

В: Что такое фишки усиления?

О: Микросхемы усиления — это полупроводниковые приборы, обеспечивающие оптическое усиление, но сами по себе не являющиеся полноценными лазерами. Часто микросхемы усиления используются в системах, где внешний резонатор обеспечивает обратную связь для генерации лазера. Это обеспечивает точную настройку и управление длиной волны.

В: Как можно улучшить стабильность мощности лазерного диода?

A: Стабильность мощности полупроводниковых лазеров существенно зависит от температуры лазера, тока лазера и обратных отражений. Изменения температуры влияют на ширину запрещённой зоны и плотность носителей, что приводит к изменению выходной мощности и длины волны лазера. Флуктуации тока лазера напрямую влияют на количество инжектированных носителей, вызывая нестабильность мощности. Кроме того, обратные отражения от внешних поверхностей или оптики могут создавать помехи в резонаторе лазера, создавая обратную связь, которая нарушает процесс генерации, приводя к шуму интенсивности или даже к скачкам мод. Поддержание стабильной температуры, точное управление током и минимизация обратных отражений имеют решающее значение для обеспечения стабильной выходной мощности полупроводниковых лазеров.