Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Основные параметры инжекционных лазеров.

К основным параметрам лазерного диода относятся спектр частот излучения (оптические моды), пороговый ток, выходная мощность излучения и эффективность работы. Когда ток проходит через лазерный диод, то свет генерируется за счет инверсии населенности посредством спонтанного и стимулированного излучений. Вследствие отражения от торцов свет многократно проходит через активную область и преимущественно усиливается стимулированным излучением. Внутри лазерного диода устанавливается стоячая волна с целым числом полуволн между торцевыми поверхностями. Модовое число задается числом полуволн

m=2Ln/l_w,

где L — расстояние между торцами,

n — показатель преломления,

l_w — длина волны излучения в вакууме.

Модовое разделение можно установить, взяв производную dm/dl_w. Тогда

dm/dl_w=-2Ln/l_w ²+(2L/l_w)(dn/dl_w).

При dm=-1, что соответствует потере одной полуволны в резонаторе, получим выражение для модового разделения:

dl_w=l_w ²/{2L[n-l_w(dn/ dl_w)]}.

Рис. 7. Спектр излучения лазерного диода

1. Спонтанное излучение.

2. Индуцированное излучение.

Спектр излучения лазерного диода показан на рис. 7. Обычно существует несколько продольных мод, имеющих длины волн вблизи пика спонтанной

эмиссии. Модовое разделние для полупроводникового лазера на основе GaAs составляет dl_w=0.3 нм. Для того чтобы лазер работал в одномодовом режиме, необходимо каким-либо способом подавить нежелательные боковые моды, оставив основную центральную.

Лазерный диод не сразу начинает излучать при приложении к нему напряжения от внешнего источника. При малом токе имеет место спонтанное излучение с шириной спектра излучения в несколько сот микрометра. По мере нарастания тока накачки в области p-n-перехода создается высокая степень инверсии населенности и излучается больше света. Отдельные фотоны многократно проходят строго в плоскости p-n-перехода и перпендикулярно к торцам диода усиливаются. С возрастанием тока накачки испускаемое диодом излучение существенно сужается одновременно по ширине спектра и по пространственной расходимости. Когда возникает индуцированное излучение, интенсивность излучения увеличивается за счет образования большого количества электронно-дырочных пар в единицу времени. Спонтанное излучение подавляется вследствие того, что образовавшиеся первоначально фотоны повторяют себя при прохождении через активную область. Излучение лазерного диода, полученное при плотностях тока выше порогового, являются когерентными. При этом форма кривой спектрального распределения резко изменяется от широкой кривой распределения спонтанной эмиссии 1 к кривой с несколькими узкими модами 2 (рис. 7).

Значение порогового тока в зависимости от природы материала и геометрических параметров можно получить из следующих рассуждений. Пусть в области p-n-перехода существует светоизлучающий слой толщины D, который больше толщины d слоя с инверсной населенностью. Тогда можно предположить, что из всех существующих электронно-дырочных пар только часть d/Dостается в активной области и может участвовать в индуцированном излучении.

Положим, что световая волна распространяется в кристалле и на каждую торцевую поверхность падает световой поток мощностью P_s, а коэффициент отражении от торца p.При наличии лазерного излучения произведение pP_sэкспоненциально увеличивается в зависимости от длины активной зоны L. Существующие потери световой волны значительно перекрываются лазерным усилением за счет индуцированного излучения. Каждый торец диода излучает свет мощностью P_вых/2=(1-p)P_s. Если µ [см^-1] — коэффициент потерь для волны при ее распростране­нии в кристалле, а H [см^-1] — коэффициент усиления, то мощность в зависимости от пройденного волной расстояния вдоль активной области будет

P=pP_sexp [H(d/D)-µ]z.

Усиление волны происходит только в области с инверсной населенностью, поэтому величину Н необходимо умножить на d/D, в то время как потери имеют место по всему объему и поэтому коэффициент µ не имеет такого множителя. Тогда при прохождении кристалла длинной L будем иметь:

P=pP_sexp[H (d/D)-µ]L

ln(1/p)=[H (d/ D)-µ]L.

Таким образом, условие лазерного излучения имеет вид

H (d/D)=µ+(1/L) ln(1/p). (1)

Коэффициент усиления H связан с плотностью инжектированного тока. Выражение для величины Н будет

H=gl_w²I/(8en²dV), (2)

где для GaAs при комнатной температуре:

g=0.7 квантовая эффективность,

l_w=9.0­­_­·10­­­_­­­­­­­^-6 см длина волны излучения в вакууме,

n=3.34 показатель преломления при данной l_w,

V=1.5·10¹³ c^-1 ширина полосы спонтанного излучения,

е=1.6·10^-19 заряд электрона,

d=10^-4 см толщина активной области,

I плотность инжектируемого тока.

Выражение (2) справедливо для допорогового тока. Подставляя (2) в (1), поучим

(gl_w²I)/(8en²VD)=µ+(1/L) ln(1/p). (3)

Левая часть в выражении (3) описывает усиление волны за один проход, а правая часть — потери. Из (3) нейдем значение порогового тока, достаточное для покрытия потерь:

I=(8en²VD)/(gL_w²I)(µ+(1/L) ln(1/p)). (4)

Cлагаемое (1/L)ln(1/p) определяет потери на излучение. Коэффициент отражения может быть выражен через коэффициент пропускания T=1-p, и тогда разложение ln[1/(1-T)] в ряд имеет вид [T-(T²/2)+(T³/3)-(T⁴/4)+...].

(1/L) ln(1/p)=(1/L) [T-(T²/2)+(T³/3)-(T⁴/4)+...].

Пренебрегая членами высокого порядка по Т, найдем

(1/L) ln (1/p)=T/L.

Тогда выражение (4) представим в виде

I=(8en²VD)/(gL_w²I)(µ+T/L). (5)

Формула (5) справедлива для приближенных расчетов. Из формулы (5) также следует, что для уменьшения I необходимо уменьшать D и наиболее оптимальным условием будет D=d. Но практически это условие трудно осуществить на обычном лазерном диоде (гомогенном), это одна из основных причин применения ДГС.