Коэффициент усиления и его связь с параметрами ЛД

В настоящее время лазерные диоды в основном изготовляют из GaAs или Ga_1-xAl_xAs. Структура лазерного диода на p—n-переходе представлена на Обычно p—n-переход формируется путем эпитоксиального выращивания слоя p-типа на подложке n-типа. Электрический ток является источником энергии накачки, необходимой для создания инверсии населенности в активной зоне, примыкающей к p—n-переходу. Две параллельные торцевые поверхности изготавливаются путем скола по кристаллографической оси для работы в качестве зеркал резонатора и создания положительной оптической обратной связи, необходимой для генерации излучения. В силу большого показателя преломления полупроводникового материала коэффициент отражения от граней составляет 30—35%. Боковые грани лазерного кристалла имеют неровности, для того чтобы подавить поперечное нежелательное распространение света.

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 Лазерный диод не сразу начинает излучать при приложении к нему напряжения от внешнего источника. При малом токе имеет место спонтанное излучение (рис. 9.4) 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.

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[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 Ннеобходимо 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). (9.1)

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

H=gL_w² I/(8en²dV), (9.2)

где для GaAs при комнатной температуре квантовая эффективность g=0.7, длина волны излучения в вакууме L_w=9.0·10^-6 см, показатель преломленияn=3.34 при L_w; V — ширина полосы спонтанного излучения, V=1.5·10¹³ c^-1; e — заряд электрона; d —толщина активной области, d=10^-4 см; I — плотность инжектируемого тока.

Для осуществления генерации коэффициент усиления системы должен быть равным коэффициенту полных потерь или превышать его.

Существующие полупроводниковые лазеры (лазерные диоды) характеризуются значительной зависимостью мощности излучения от температуры прибора. При уменьшении температуры мощность, излучаемая диодом, увеличивается. Лазерные диоды (ЛД) работают в предельных режимах, и даже небольшое превышение допустимой излучаемой мощности может привести к оптическому пробою или разрушению зеркал оптического резонатора. Высокая точность поддержания излучаемой мощности также необходима в измерительных системах, системах связи и др. Для уменьшения температурного дрейфа мощности излучения в схемах питания лазерного диода обычно используют цепь обратной связи на основе фотодиода, размещаемого в корпусе лазерного диода.