КОЭ (1084716), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

Преобразуем:

_{Зависимости (9.18) для двух температур} проиллюстрированы на рис. 9.17. При высоких уровнях накачки в области энергий фотонов в полном соответствиис (9.18) показатель поглощения становится отрицательным. Этот диапазон энергий с отрицательным показателем поглощения как раз является спектральным диапазоном, в котором возможно усиление. Очевидно, что с ростом интенсивности накачки увеличивается расстояние между квазиуровнями Ферми, показатель усиления в области низких энергий насыщается, а его максимум сдвигается в сторону больших

Поскольку минимальное энергетическое расстояние между равно ширине запрещенной зоны , это неравенство можно записать в виде

(4.76)

Соотношение (4.76) определяет условие инверсии населенностей в собственном полупроводнике для переходов зона—зона. Для того чтобы обеспечить преобладание усиления за счет процессов вынужденного испускания в полупроводнике над процессами собственного поглощения, необходимо создать такие избыточные неравновесные концентрации носителей заряда в зоне проводимости и в валентной зоне, при которых расстояние между квазиуровнями Ферми будет превышать ширину запрещенной зоны полупроводника. т. е. возбуждение должно быть настолько интенсивным, чтобы создать вырождение в зоне проводимости и в валентной зоне.

В общем случае, применяя аналогичные рассуждения, нетрудно получить условие инверсии для любых типов излучательных переходов с испусканием фотона

(4.76а)

Условие (4.76а) является необходимым, но не достаточным для получения усиления или генерации в системе в целом.

28. Конструкция полупроводникового инжекционного лазера. Условия генерации.

Особенностью полупроводников, выделяющей их в отдельный класс материалов, является возможность управляемо изменять (инвертировать) тип их электропроводности. При этом диапазон изменения удельного сопротивления может достигать двадцати и более порядков. Использование процессов излучательной рекомбинации в полупроводниках при инжекции неосновных носителей заряда через p-n-переход позволило создать новые классы приборов — светодиоды и полупроводниковые инжекционные лазеры.

Преимущества: малые габариты, мгновенная готовность к работе, низкие рабочие напряжения, надежность, совместимость с интегральной полупроводниковой технологией, экономичность,— светодиоды и инжекционные лазеры с высокой эффективностью преобразуют электрическую энергию (сигнал) в световую. Светодиоды преобразуют электрический сигнал в некогерентное, а инжекционные лазеры — в когерентное излучение оптического диапазона.

Есть возможность получения высоких значений коэффициентов усиления с единицы длины.

Второй особенностью полупроводников является возможность непосредственного преобразования электрической энергии в световую при инжекционной электролюминесценции. Эта особенность реализуется только в инжекционных лазерах

По механизму возбуждения полупроводниковые лазеры разделяют на лазеры с электронной или оптической накачкой и на инжекционные лазеры.

В инжекционных лазерах накачка производится путем инжекции неосновных носителей заряда через p-n-переход при пропускании через него тока в прямом направлении.

О бщая схема инжекционного лазера приведена на рис. 9.22. При подаче смещения в прямом направлении электроны инжектируются в p-область, а дырки — в n-область, создавая вблизи p-n-перехода активный слой, в котором происходит излучательная рекомбинация. При большой плотности тока в вырожденном переходе в этом слое может быть реализовано условие инверсии. Плоскость p-n-перехода должна быть строго перпендикулярна сколотым граням резонатора, как показано на рис. 9.22. Для обеспечения эффективного взаимодействия света с активной средой необходимо совместить область, в которой со­здана инверсия, с областью распространения светового излучения, т. е. в одном и том же активном слое локализовать нерав­новесные носители заряда и фотоны.

В полупроводниковых лазерах, как и в лазерах других типов, условие инверсии является необходимым, но не достаточным для возникновения генерации. Достаточным условием является преобладание усиления над потерями.

29. Скоростные (балансные) уравнения для концентраций электронов и фотонов.

Чтобы определить, при каких условиях можно получить инверсию населенностей между конкретными энергетическими уровнями, следует знать кинетику заполнения энергетических состояний при наличии накачки. Для этого необходимо составить и решить соответствующие кинетические уравнения (уравнениями баланса).

Пусть известен спектр разрешенных энергетических состояний системы и вероятности переходов w_mn между любыми уровнями энергии тип. Тогда изменение числа частиц на уровне Е_т выразится соотношением

(2.10)

З десь первое слагаемое учитывает переход частицы на уровень т со всех остальных уровней л, второе слагаемое — уменьшение населенности m-го уровня за счет переходов из этого состояния во все остальные состояния п. Так как общее число частиц N в единице объема в стационарных условиях остается неизменным, то(2.15)

Для каждого уровня может быть записано свое уравнение баланса, так что получится система из К уравнений (2.10), из которых К-1 уравнений линейно независимы.

Д
остигнув стационарного состояния, когда число частиц на каждом из уровней останется неизменным во времени, и получится система линейных однородных уравнений:

(2.16)

Элементарные процессы, приводящие к образованию инверсии на рабочих уровнях, определяются переходами между рядом энергетических состояний. Учесть только те переходы, которые вносят существенный вклад в изменение населенности рабочих уровней под воздействием внешнего возбуждения.

Двухуровневая схема. Рассмотрим систему из двух энергетических уровней , из которых является основным, т. е. заполненным в условиях термодинамического равновесия. Для простоты будем считать уровни невырожденными В такой системе возможны спонтанные и индуцированные оптические переходы, как показано на рис. 2.6, а. Будем осуществлять оптическую накачку на частоте перехода Плотность излучения накачки . Тогда уравнения баланса в стационарном режиме будут иметь вид

(2.17)

Учитывая, что , находим населенности уровней:

(2.18) (2.18а)

Если взять два уровня с разными статистическими весами и , то аналогично получим, что в пределе число частицна верхнем уровне2, а на нижнем уровне1

Хотя при число частиц на уровне может быть больше, чем на уровне , населенность верхнего уровня всегда меньше населенности нижнего уровня , . инверсии населенностей и усиления нет.

Полученные результаты однозначно показывают, что по двухуровневой схеме квантовые усилители и генераторы с оптической накачкой работать не могут.

30. Характеристики и параметры полупроводникового лазера. Выходная мощность, пороговый ток. Характеристики излучения.

Лазеры на GaAlAs с длиной волны от 640 до 880 нм. Путем изменения концентрации Аl удается управлять межзонным интервалом и, следовательно, длиной волны. В качестве подложки используется GaAs, поэтому такие системы называют также GaAlAs/GaAs- или GaAs-лазерами. Мощность при генерации на одной поперечной моде может составлять до 100 мВт при кпд около 50 %.

Лазеры на InGaAs могут иметь двойную гетероструктуру. С подложкой из InGaP они излучают в красной области спектра при 640 и 700 нм. Если используется подложка InP, то получают длины волн от 900 до 1600 нм. Исполнения на InGaAsP обычно коротко именуют InP-лазерами. Лазеры на InGaAs способны излучать около 1,06 мкм .

Ширина полосы лазерных диодов может быть в диапазоне от 0,1 нм (для одномодовых лазеров с продольной накачкой) до 100 нм (в импульсных лазерах). Длина волны сдвигается на 0,25 нм/°С — при Ga_xAl_1-xAs и на 0,5 нм/°С — при In_xGa_1-xAs_yP_1-y, . Эти лазеры нередко генерируют на нескольких модах, и тогда — вследствие изменений температуры — происходят скачки моды (межмодовый интервал ∆λ=λ²/2nL=0,6 нм, п — показатель преломления, L — длина резонатора, λ, — длина волны).

Для эксплуатации непрерывных лазерных диодов требуется источник стабилизованного тока, обязательно защищенный от коммутационных пиков, в противном случае, лазер может быть разрушен под действием перенапряжений.

31. Распространение излучения в анизотропных средах. Тензор диэлектрической проницаемости. Эллипсоид показателя преломления. Одноосный кристалл, двулучепреломление. Изменение поляризации световой волны, четвертьволновая пластинка. Примеры одноосных кристаллов.

Рассмотрим распространение света в кристаллах. Так как период кристаллической решетки (~0,5 нм) во много раз меньше длины световой волны, то кристалл можно рассматривать как однородную, но анизотропную среду. Сначала ограничимся рассмотрением той области частот, в которой отсутствует поглощение, т. е. кристалл прозрачен и ведет себя как диэлектрик.

Характеристики

Список файлов учебной работы