Глущенко А.Г., Головкина М.В. Физические основы волоконной оптики (2009), страница 19

Принципиальная схема лазерного диода на гетероструктуре представлена на рис. 15.9. Полупроводниковый лазер представляет собой кристалл размерами 0,1 − 1 мм . Важным отличием полупроводникового лазера от светодиода является наличиелазерного резонатора. В качестве совершенных плоскопараллельных зеркал резонатора выступают боковые грани кристалла(на рис. 15.9 это передняя и задняя грань). Излучение из лазеравыходит через узкие полоски, образованные пересечением активного слоя с частично отражающими гранями кристалла. Характерные угловые размеры диаграммы излучения составляют5 о х 50 о .

Более высокая направленность может быть достигнута при помощи внешнего резонатора. Как правило, техническоеосуществление конструкции с внешними зеркалами встречаетсерьезные трудности.Современные полупроводниковые лазеры чаще изготавливают не на обычных p-n - переходах, которые называют гомопереходами, а на гетероструктурах, отличительные свойства которых обсуждались выше (см. п. 15.2).

Гетероструктуры былипредложены для создания полупроводниковых инжекционныхлазеров Ж.И. Алферовым в 1963 г.Коэффициент усиления, необходимый для начала работылазера, должен компенсировать все потери в среде, включая потери на отражение от зеркал резонатора (см. 16.10). Используявид функции Ферми - Дирака при ненулевых температурах, учитывая правила отбора, влияющие на вероятность зона-зонныхпереходов, можно получить зависимость коэффициента усиления от энергии фотона и от плотности тока, приложенного к p-n- переходу. Не приводя результаты такого анализа, отметим, чтолазерное излучение возникает при превышении плотности токанекоторого значения, называемого пороговым.Как было отмечено выше (см.

15.2), двойная гетероструктура локализует излучение в пределах активного слоя, что связано150с различием коэффициентов преломления различных слоев (такназываемый волноводный эффект). Для снижения пороговойплотности тока, необходимой для создания инверсии населенностей, толщина активного слоя должна быть сделана по возможности малой. С другой стороны, увеличение такого параметра, как внутренняя квантовая эффективность позволит снизить значение порогового тока. Таким образом, пороговая плотность токаd,(17.9)jпор ~η внутргде d - толщина активного слоя.Выходная мощность лазера пропорциональна внутреннейквантовой эффективности и превышению плотности тока накачки над пороговым значениемP ~ ( j − jпор ) ηвнутр .(17.10)С ростом температуры в силу увеличения безызлучательной рекомбинации значение ηвнутр падает. Соответственно резко увеличивается пороговое значение плотности тока jпор .

При увеличении тока кристалл разогревается, и при некоторой температуре непрерывный режим генерации становится невозможным.Величина допустимой температуры непрерывного режима работы полупроводникового лазера определяется конструкциейдиода и возможностями теплоотвода. Применение гетероструктур для изготовления полупроводниковых лазеров позволяетснизить пороговую плотность тока при комнатной температуреболее чем в 100 раз, доведя ее до нескольких сотен ампер наквадратный сантиметр. В результате получены устойчивые режимы работы полупроводниковых лазеров непрерывного действия с выходной мощностью в сотни мВт при комнатной температуре.Из рис.

17.1. видно, как можно определить пороговый токI пор . При низком токе (кривая а) оптическое излучение определяется спонтанными переходами. Лазер работает в режиме светоизлучающего диода. Излучение некогернтное. В области б151возрастает доля индуцированного излучения, это режим суперлюминесценции. При токах выше порогового Iпор (кривая в)преобладает индуцированное когерентное излучение. Это режим работы лазера.Ф, мВт54в3210аб50100IпорI, мАРис.

17.1. Типичная экспериментальная зависимость выходноймощности полупроводникового лазера от тока.Для изготовления полупроводниковых лазеров широко используется полосковая геометрия, используемая также и в светодиодах с торцевым излучением (см. рис. 15.9). Активная область полоскового лазера образует прямоугольную полость, играющую роль резонатора для лазерного излучения. В таком лазере может существовать несколько типов мод, характеризуемых своей частотой. На этих частотах может возбуждаться лазерная генерация.

Основное воздействие на спектральные характеристики оказывает число возбужденных продольных мод.При узкой полоске в лазерах с волноводным усилением обычновозбуждается много мод, и наблюдается довольно широкая линия генерации. Это показано на рис. 17.2, а. В лазерах с волноводным каналом генерируются несколько лазерных мод, но помере увеличения тока одна или две моды становятся доминирующими над остальными (рис. 17.2, б).152822824826а)λ, мкм828843 841 839λ, мкмб)Рис.

17.2. Типичный спектр GaAs/GaAlAs лазера: а – лазер сволноводным усилением; б – лазер с волноводным каналом.Уменьшение длины резонатора приводит к возрастаниюмежмодового расстояния, так что только немногие моды могутпопасть в пределы линии усиления. По этой причине предпочтительнее короткие резонаторы (не более 100 мкм).На рис. 17.3 показана зависимость выходной мощности инапряжения от тока для полоскового лазера.

Падение напряжения при нормальном токе для GaAlAs лазеров составляет около1,5 ~ 2,0 В .Показанный на рис. 17.3 перегиб характерен для лазеров сволноводным усилением при ширине полоски около 10 мкм ишире. Эти перегибы становятся серьезной помехой, когда требуется высокая линейность, и делают невозможной работу ваналоговом режиме.

Проблему удается решить, применяя оченьузкие (менее 10 мкм) полоски. Главная причина нестабильности153остается, но уровень выходной мощности, при котором появляется перегиб, удается сдвинуть за пределы нормального рабочего режима лазера. Таким образом, линейная выходная характеристика (см. рис.17.4) получается за счет значительного снижения выходной мощности.Ф, мВт151050204050 I, мА204050 I, мАV, В3210Рис. 17.3. Ватт – амперные и вольт – амперные характеристикидля типичного полоскового AlGaAs/GaAs лазера с волноводнымусилением при длине резонатора l=130 мкм и ширине полоски12 мкм.154Ф, мВт5Т/( 0С) 0 15 30 4543210dV/dI, В0,450100I, мА50100I, мА0,20Рис.

17.4. Ватт - амперная характеристика лазера с волноводнымканалом.Длина волны излучения полупроводниковых лазеров можетменяться в широких пределах. Наибольшее распространениеполучила перестройка лазеров путем изменения давления и температуры. Для лазеров на основе тройных соединений свинца,таких как Pb1− x Sn x Te , Pb1− x Sn x Se , всестороннее сжатие изменяет параметры кристаллической решетки и тем самымуменьшает ширину запрещенной зоны. В результате длина волны генерируемого излучения увеличивается. Изменение этозначительно. Например, диодный лазер на PbSe может перестраиваться давлением с 8,5 мкм до 22 мкм.

Преимущества перестройки лазеров давлением заключены в отсутствии влияниядавления на пороговый ток.Другим методом является понижение температуры лазера отмаксимально возможной до гелиевой. Недостатком метода является существенная нелинейность зависимости длины волны из-155лучения от температуры и изменение порога самовозбуждениялазера.ВыводыРассмотрены особенности полупроводниковых лазеров, использующих излечение света, возникающее в p-n - переходе припрямом включении (лекция 13). Получено условие создания инверсии неселенностей в p-n - переходе, требующее применениявырожденных полупроводников. Рассмотрены характеристикиполупроводниковых лазеров и их отличие от светоизлучающихдиодов.Вопросы и задачи17.1.

Перечислите достоинства полупроводниковых лазеров какисточников излучения для ВОЛС.17.2. Какие полупроводники называются вырожденными?17.3. Как получают вырожденные полупроводники?17.4. Выведите условие создания инверсии населенностей в p-n переходе.17.5.

Что представляет из себя лазерный резонатор? (см. лекцию№ 16). Как конструктивно выполняется резонатор в полупроводниковом лазере?17.6. Нарисуйте ватт-амперную характеристику типичного полупроводникового лазера. Что такое пороговый ток?17.7. Чем отличаются полупроводниковые светоизлучающиедиоды от полупроводниковых лазеров (лазерных диодов)?ЗаключениеВ представленном конспекте лекций рассмотрены физические законы и явления, описывающие особенности распространения света в оптических волокнах. Особое внимание уделенопроцессу распространения световых волн в различных средах,подробно рассмотрено получение формул для расчета числовойапертуры волокна, межмодовой и материальной дисперсии,мощности, вводимой в волокно.

Основной упор сделан на объяснении физической сути изучаемых явлений. Книга предпола-156гает наличие у читателя знаний математики и общей физики вобъеме, соответствующем второму году обучения в университете. Однако изложение построено таким образом, что менее подготовленный читатель усвоит все необходимые понятия. Нарядусо строгими решениями уравнений в процессе изложения материала при необходимости применяются менее строгие, но болеенаглядные методы (например, квантовомеханическая аналогияпри рассмотрении материальной дисперсии, лучевая трактовкапри исследовании распространения света в волокне).

Материалснабжен большим количеством рисунков и диаграмм. Данноеучебное пособие будет полезно не только студентам, но и инженерно-техническим работникам, работающим в области оптической связи.Ответы..1.1. div B m = 0 , div D m = ρ m .& m = i ωB& m , rot H& m = − iωD& m + jm .1.4. rot Eωε = k '−ik ' ' , ω = 2πf , f = 10 8 Гц , с = 3 ⋅ 10 8 м / с ,1.5. k =cσε& = ε − i, ε 0 = 8,85 ⋅ 10 −12 Ф / м . После подстановкиε0 ωчисленныхзначенийнаходим:k ' = 4,08 м −1 ,k ' ' = 0,96 ⋅ 10 −4 м −1 .2.7.