Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 86
Текст из файла (страница 86)
Такой лазер может быть жидкостным на красителях, на волоконных активированных етеклах или о другой структурой активной среды. Лазер а раппределенной обратной пвязью может быть создан в полупроводнике, где он реализуется наиболее просто. Принцип действия пленочного лазера а распределенной обратной связью заключается в' следующем.
Возбуждение накачки в случае метода инжекции носителей поступает в периодическую пространственную структуру, которой может служить либо пленочный полупроводниковый микроволновод п периодическими неоднородностями, либо наложенная на подложку дифракпнонная решетка.
Это система локальных резонаторов, в которой возбуждаются поверхностные волны излучения. Каждый локальный резонатор представляет собой миниатюрный, почти соизмеримый по размерам о длиной волны Л, генерируемого излучения элемент активной среды 1„который одновременно выполняет следующие функции: возбуждает собственные резонансные колебания, осуществляет положительную обратную связь н формирует выходное вынужденное излучение (рис. 17.12). В локальном резонаторе и распределенной обратной связью пороговый уровень усиления определяется обратным рассеянием для излучения, распространяющегося по нормали к периодическим возмущениям активной среды. Для резонаторов этого типа резонансы отра- 362 Рнс.
17.12. График угловой расходнмостн Р (т) (а), зависимость ле н Е „от концентрацнн атомов А1 е зктнвной области (б), схема конструкции (з), схема волноводного фатодподз (г) н зпнтзкснальные слои гегероструктуры 0азА!г Аз.(д) жения имеют место на длинах волн Ле=2лЛ/д, (17.19) где и — показатель преломления среды, д — целое числе, а Л вЂ” период модуляции распределенной обратной связи или период интерференционной картины, определяемый по условию Брэгга (17.19): Л = Л„/(2ц з!и О), где 20 — угол между интерферирующими лучами. Распределенная обратная связь необходимадля самовозбуждения поверхностных световых волн в активном микроволноводе.
Условие самовозбуждения достигается периодической модуляцией оптической толщины микроволновода. Зеркала распределенного резонатора обычно конструктивно выполнены в активном елое, т. е. в самом микроволноводе. Длина такого отражателя 1, и коэффициент обратной связи ч,„ должны обеспечить собственные резонансные частоты не= дс/(2пЛ) о высокой избирательноатью: ~=У~+А/~, пг Ха/Л р зйпО =1; (17 20) гй1, 1, где А/,ф, А/,ф — эффективные показатели преломления поверхностных волн излучения, которые возбуждаются в активном микроволноводе благодаря резонансному отражению на периодической и тонкопленочной структуре', лг дп/Л вЂ” порядок интерференции (целое число: 0; -Ь 1; ~ 2; ~ 3; ..., '~ и, определяющее очередной максимум интерференционной картины); й = 2я/)зв — волновое число. Условие генерации поверхностных волн имеет вид [24!1 (/е — /Л) е "/(й„+ /Л) = 1, где й„= 'р т„+ Л' — коэффициент волноводной связи; Л Лгге— чГ г — (///е) (б + 6 ).
Здесь Лке 'и 3т — параметр фазовой расстройки; б, б„— эффективные коэффициенты уеиления возбужденных поверхностных волн. Например, при малом легировании полупроводника примесями коэффициент усиления для пика спектральной усиления в баАз-диоде при температуре 300 К б* = ОА/в/(8чипибчг/), (17.21) где т)а = 0,7 — внутренний квантовый выход; /', = 400...800 А/см'— пороговая плотнооть инжекцииг гг = 3,34; Лч = 1,5 !Ота о — ' — ширина полосы спонтанного излучения; г( = 10 см — толщина активного слоя.
Наиболее перепективными для микроминиатюризации и применения в устройетвах интегральной оптики являются полупроводвиковые инжекционные лазеры на гетероатруктурах, так как они имеют плосковолноводное строение. Используютия эпитаксиально выращенные гетероструктуры баАз — Оаг,А!„Аз. Возбуждение таких пленочных лазеров оаущеатвляетзя электрическим напряжением, что обеспечивает возможность модуляции выходного излучения на чаототах от 20 Гц до 0,1 ГГц и выеокий к.п.д.
(около 40 %) (27!. В пленочных лазерах е оптической накачкой применяются пленки из полиметилметакрилата и полиуретана, активированного родамином ОО, а также атеклянные пленки и пленки из х'АО, активированные гольмием или неодимом. Технологические методы получения периодической структуры пленочного микроволновода следующие: катодное распыление, вакуумное напыление, ионная имплантация, диффузия„ травление, наложение на подложку впециальной дифракционной решетки.
В таких лазерах полупроводниковая гетероструктура возбуждаетая интенсивным источником света, энергия фотонов которого чуть больше ширины запрещ ен- руглзматч 4 Епр Ю Рис. 17.13. Устройство ввода оптической накачки и вывода вынужденного излучения в пленочных лазерах; а — пленочная полунроводниковая1вктивяая среда; г — излучение накачки в волоконном све тозоде: а — нрнзмм; а — выходное излучение; а — подложка; а — волоконный световод; à — зпоксиднвя смола: а — лунка; а — золотой «ентакт; Га — иммерснонная лииза радиусе кривизны ро Гà — селфок; Гг — юстнруемое устройство; Л период ннтерференпионной картины ной зоны. При накачке полупроводника лазером глубина возбуждения— около 1 мкм и мощность накачивающего лазера невелика, но зато к.
и. д. высок (около 50 %). Поэтому лазеры с таким возбуждением являются высокоэффективными преобразователями когерентного излучения одной длины волны в когерентное излучение другой длины волны. Типичные значения концентрации примесей в пленочных структурах: А/д = 2 10"'см — ' для р+-слоя; А/о — — 1 10" см — ' в гг — СаА!Аз; Лго — — 2 10" см — з для подложки и Агд ж 1Ота см-' для активного слоя р — а перехода.
Эти структуры обеспечивают (см. п. 9.3) оптическое ограничение фотонов волноводных мод и инжектируемых носителей в области инверсной населенности, в результате чего минимальная пороговая плотность тока составляет 400...800 А/см'. Например, оптическос ограничение с концентрацией А! 50 % будет с/ — 0,7ло/1 О,б. Вывод вынужденного излучения в пленочных лазерах с распределенной обратной связью осуществляется через торец активного микроволновода либо, в случае оптической накачки, специальными призменными (рис.
17.13, а), решеточными (рис. 17.13, б) или волоконио-оптическими (рис. !7.!3, в) устройствами. Например, для изготовления призменного устройства ввода берется прямоугольная призма с показателем преломления ббльшим, чем показатель преломления пленки (ппр ) ) лп,). Призма устанавливается на расстоянии 0,1 мкм от поверхности пленки (щель связи). Необходимо выполнить также условие экспоненциального спада ехр ( — з/5) поля Ез н фазовое согласование падающего и выходного лучей. Эффективность такой системы достигает примерно 80 % 19, 27!.
Выходную мощность излучения пленочного лазера для случая возбуждения его методом инжекции можно оценить зависимостью (9.11). Изменением концентрации атомов А! а структуредлнну волны лазерного излучения можно изменять в пределах (7...9) 10 ' мкм (см, рис. 17.12, б). Оптимальным для практики сегодняшнего дня являютсягетероструктуры Оаы аА),Аз, излучающие на волне )св = 0,85 мкм. 366 Более короткие длины волн достижимы при резком снижении квантового выхода лазерного диода. Ограничение оптических мод и инжектируемых носителей позволяет создать пленочный лазер, имеющий следующие характеристики~ выходную мощность Р, ( 100 мВт; квантовый выход т], = 0,55; расходимость в непрерывном' режиме излучения у ~ 1О' (в плоскости р — и перехода); порог плотности тока инжекции /, = 400...800 А/см'.
Один из принципиальных вопросов, важность которого несомненно повышается с увеличением уровня интеграции, заключается во вредном влиянии температуры на характеристики пленочного лазера. Нестабильность длины волны при изменении температуры приводи к дрейфу спектральной характеристики излучения на г/)/г/Т- 4 ° 10 /'С, причем лазерныедиоды с распределенной обратной связью обладают большей стабильностью (0,8 ° 10~/'С) [27]. Изготавливаются гетероструктурные лазеры с модуляцией добротности распределенной обратной связью (Я-модуляция). Длительность генерируемого импульса излучения в этом пленочном лазере достигает 30...50 пс при пиковой мощности Р,, ( 1 Вт. Технология изготовления лазера с модуляцией добротности аналогична получению пленочного полупроводникового лазера с двойной гетероструктурой. Перестройка частоты в пленочных лазерах с распределенной обратной связью согласно уравнению Х, = 2ЛА/,э/и (при 8в = 90', д Л) возможна если изменять период Л, толщину пленки а или коэффициент потерь для каждой моды излучения.
В гетеролазерах с полосковой геометрией и заглубленной на ширине ][г, = 3...5 мкм канавки гетероструктурой, к счастью, модовая нестабильность отсутствует [27]. Такие лазерные диоды обычно эффективно работают на одной поперечной и на одной продольной модах, если ширина канавки в два раза меньше длины диффузии носителей (- 3 мкм для ОаА!Аз). Помимо микроминиатюризации квантовых приборов и систем, в которых используются пленочные лазеры с распределенной обратной связью, к достоинствам их следует отнести важное свойство — возможность плавной перестройки частоты излучения в достаточно широком диапазоне.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
