Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 43
Текст из файла (страница 43)
Поэтому в гетероструктурах можно достичь почти полного совпадения активной области с областью диэлектрического волновода и таким образом существенно уменьшить межзонное поглощение в пассивных областях. Оптическое ограничение получено при наблюдении дифракционной расходимости излучения в гетероструктурах с различной толщиной активного слоя 1,. Для двусторонней гетероструктуры расходимость уменьшается с увеличением 1,. В односторонней гетероструктуре расходимость практически не зависит от 1,. Следовательно, излучение 181 проникает далеко в пассивный слой, так что ширина освещенной полосы на зеркале в несколько раз превышает 1,.
Теперь ответим на вопрос, что такое гетеролазер. К гевзероонзрунньурным лазерам относятся полупроводниковые лазеры, в которых используются оптические переходы с участием свободных носителей в многослойных сложных кристаллических структурах с оптическим ограничением света и влектроииым ограничением диффузионного растекания иимектируемых носителей тока Двусторонние ограничения снижают /„, =' 1 ° 1Оз Аlсм' путем эффектов электронного и оптического ограничений. В двусторонней гетероструктуре активная область находится между двумя гетеро- переходами: один — инжектирующий, другой — ограничивающий диффузионное растекание носителей; например, в двусторонней гетеро- структуре на твердом растворе А1„ба/ „Аз гетероструктура следующая (24): р А!„ба! „Аз, АЕ ж 1,8 эВ; р ба„Аз, АЕ = 1,4 эВ; пАз„ба/ „Аз, ЬЕ= 1,8 эВ.
Дополнительное уменьшение порогового тока в двусторонней гетероструктуре получается из-за наличия в ней оптического волновода с коэффициентом распределенных оптических потерь ()х 5... ...15 см — ' и усилением б (т) — 0,01 см/А при Т = 300 К. При фиксированной толщине активного слоя 1, за счет оптического и электронного ограничений в двусторонней гетероструктуре по сравнению с диффузионным р — п переходом получается выигрыш почти на два порядка по коэффициенту усиления (6 (т) — 3 см/А) и в два-три раза уменьшается уровень потерь (ре = 2...5 см — '). В односторонней гетероструктуре, где осуществляется только электронное ограничение, существенно повышается лишь коэффициент усиления (б (т) — 0,3...
...0,6 см/А) практически при том же уровне потерь (()х = 2...4 см †'). На рис. 9.8, а показан пример энергетических зон гетеролазера с двойным гетеропереходом, созданным из двух веществ: арсенида галлия и баА1Аз (арсенида галлия с примесью алюминия). Такие два вещества имеют различные показатели преломления и ширину запрещенной зоны, что эффективно ограничивает инжекцию возбуждения и излучения света областью перехода. Иными словами, скачок показателя преломления обеспечивает отражение генерируемого света опять в область перехода, а разница в размерах запрещенной зоны ЬЕ удерживает носители в этой области. В дапнсвл случае двусторонняя гетероструктура состоит из трех компонентов: полупроводник р-типа из баАз находится между компонентами рл-- и и-типов из А!„ба/ Аз. Эту двойную гетероструктуру помещают на подложке из баАз с электронной проводимостью, сверху на электрическом контакте устанавливают шайбу из баАз с дырочной проводимостью; и — р гетеропереход мешаетдыркам перемещаться в область п-типа, что не позволяет также электронам инжектировать в область перехода.
В р — р+ гетеропереходе из-за увеличения ширины запрещенной зоны АЕ создается потенциальный барьер, который отражает инжекгируемые электроны и ограничивает реком- 18л Рис 9 8 Схемы энергетическим зов (а) н коиструкпии полупроводникового лазерного диода (д): / — кнвстелл; Š— коопус: дсржвтслы 4 — ч венец/ Л вЂ” окно, Š— выводы р -тип р'-тип и-тип Электроне ! Тд дырки ю:и "о 'с !лдеl хдз диА5 А!хси/ Ае /и-р) !р рь/ тетероперегед тетероперекод а бинационное излучение областью перехода. Пороговая плотность тока в такой гетероструктуре уменьшается до / 2 10з А/см', что приблизительно в 20 раз меньше, чем в гомолазерах. При температуре 300 К такие гетеролазеры имеют мощность около 5...7 мВт на длине волны Л = 0,82 мкм с пороговым током возбуждения до 300 мА.
Эффективность инжекционных лазеров как в импульсном, так и в непрерывном режимах работы ограничивается, главным образом, тепловыми воздействиями — условиями нагрева самой активной среды и теплоотвода. При пропускании через р — и переход тока кристалл постепенно нагревается. Вместе с повышением температуры возрастает н пороговый ток. Анализ теплофизических процессов аналогичен рассмотренному ранее в гл.
7 для активной среды твердотельных лазеров импульсного действия. Кристалл в основном нагревается в результате потерь мощности при безызлучательной рекомбинации электронно-дырочных пар Р„„= !1/о (1 — ч,) и омического нагрева при протекании через полупроводник тока инжекции Р = !з/7. Возникающее тепло распространяется в активном слое р — п перехо. да в соответствии с моделью переноса тепла, математически описываемой уравнением теплопроводности (7,16)/ д Т ! дТ 1 дТ ди 1 д! о д! в + Граничные условия можно определить по мощности нагрева кристалла теплопроводностью за счет безызлучательной рекомбинации: ) йдт/д! ~,, = Р„„.
С учетом граничных условий и типичного значения квантового выхода т), = 0,5 уравнение теплопроводности принимает вид д дт Роек + / )7 = /е д! 183 Начальные условия задаются условиями охлаждения кристалла при 1 = О, ! = О, Т-о- Т„где Т, — начальная температура кристалла. Решая уравнение теплопроводностн при граничных и начальных условиях, окончательно получаем температурное поле активного слоя кристалла: где Тоо — температура теплопровода; и„ вЂ” число импульсов в квази- непрерывном режиме накачки; т„ — длительность импульса накач/! ки; т — масса кристалла; с„— теплоемкость кристалла; т, = ~ — + 2 + — ~ тс, — тепловая постоянная времени; Я вЂ” площадь тепло. ком~ / о/ провода; /о — толщина активного слоя; й — коэффициент теплопроводности. Анализируя (9.15) для конкретных условий нагрева, конкретной конструкции и типичного отношения Р ,/Р 3,2 10 ' гетеро- лазерного диода, можно определить практически необходимые зависимостии: температуру максимального нагрева (9.16) мощность излучения при Т = Т„и /„,„аТ' Рвых = Чв(/о 11 — 1пор (Т/Тол)'!' максимальную частоту генерации импульсов при условии Р,„„о- 0 (9.
! 7) К достоинствам инжекционных полупроводниковых гетеролазеров можно отнести: малые размеры, прямое превращение энергии электрического тока в когерентное излучение, возможность генерации непрерывного и импульсного вынужденного излучения, высокий к. п. д., значительную удельную мощность с единицы объема неохлаждаемой активной среды и, наконец, простоту модуляции излучения в широкой полосе частот методом внутренней модуляции тока инжекции лазерного диода (рис.
9.8, б). 9.4. Методика расчета основных параметров н характеристик ннгкекцнонного полупроводникового лазера Исходными данными для расчета являются: материал активного элемента (обычно монокристаллы баАз либо гетероструктуры на основе баАз с изопериодическпм замещением А! и Р), тип резонатора (обычно резонатор Фабри — Перо), напряжение на кристалле (/о и температурный диапазон ЛТ = 1- 50 'С работы прибора. Конструктивные параметры.
Длина активного слоя 1 определяется из условия (20) и /о/Ло. 184 Эффективная ширина излучающей области р — и перехода Ы 10 '...10 см и толщина активного слоя р — и перехода 1о = = )/Рт 10 см, где Р 1О ' смг/с — коэффициент диффузии; 10 ~...10 о — время жизни носителей. Эффективная площадь р — и перехода з = 1 Х 1, см'. Длина ре-г — г зоиатора имеет типовые значения Е 10 ...10 см 1.
Показатель преломления активной среды зависит от температуры и длины волны излучения: (ди/дТ)х = 0,55 (Ло/ЛЛ) (дЛ/дТ). -4 — 1, Для баАзпри Т = 77 К иЛ, = 0,84 мкм(ди/дТ)г = 2,9 1О град и = 3,6. Э~фективный коэффициент отражения зеркал резонатора = ) /гггг. Для г, = 0,2...0,4, г, = 1 г ж 0,63. Концентрация электронов и дырок в активном слое (среднее зна- чение количества электронов и дырок в единице объема): Р = 2 (2ит„ИТ//гг) '*е и ~~~1 р ) ЛЕ где р — уровень Ферми для дырок, эВ; т, 0,08т" и т„ 0,5то — эффективная масса носителей зарядов — электрона и дырки; т' = 9,11 1О "г — масса свободного электрона; у, = 1— — ехр (1о/1) — доля избыточных электронов, рекомбинирующих в ак- тивном слое; (/р„ = (/о — ЛЕ/е — напряжение на р — и переходе; ЛŠ— ширина запрещенной зоны; (/о — напряжение на кристалле, В; р, = 0,5ЛЕ + 0,75 иТ !и (т,/т,) — уровень Ферми для элек- тронов.
Энергетические характеристики. Предполагается, что полупро- водник можно рассматривать как четырехуровневую квантовую си- стему, у которой энергетические промежутки между соседними уров- нями очень малы, а верхние состояния являются метастабильными. Мощность излучения инжекционного лазерного диода в ваттах Р,„„= (дог/е) /(()х, Е, г) (!„— 1„) т)„ где йа/е — (/о — (/р;! / (рг, 1, г) ж (1 + рею/)п (1/г)Г'; т), — 0,6...0,9.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
