Полупроводниковый лазер на двойной гетероструктуре

Рассмотренные выше условия лазерной генерации излучения могут быть реализованы при протекании тока через полупроводник. Причем с момента создания первого лазера и по настоящее время структура полупроводниковых лазеров претерпела значительные изменения. Так, например, первые полу­проводниковые лазеры были выполнены на гомогенном полупроводнике с простейшим переходом. Основным недостатком подобных структур явля­ется несовершенство ограничительных свойств простого перехода. Кроме того, границы, определяющие "электронную" и "оптическую" толщины ак­тивной области, не определены четко и меняются в зависимости от тока

накачки. Поэтому лазеры на однородных полупроводниках не получили ши­рокого распространения и в настоящее время практически не используются. Другой, несколько более сложной, является односторонняя гетероструктура. Основное ее достоинство - это наличие практически идеального выполнения условий ограничения, но только с одной стороны перехода при незначи­тельном усложнении технологии. И, наконец, доминирующей в промышлен­ных образцах полупроводниковых лазеров в настоящее время является ДГС. Основным ее достоинством является выполнение условий электрического, электронного и оптического ограничений по обе стороны от активной облас­ти, что позволяет при малых пороговых токах инжекции получать в сверх­тонкой активной области, лежащей между двумя гетерограницами, значи­тельные потоки излучения. Дальнейшее развитие ДГС привело к созданию четырех- и пятислойных структур, которые позволяют оптимизировать раз­меры оптического волновода с точки зрения оптимальности модового состава излучения, при этом толщина области электрической накачки обычно существенно меньше толщины волновода

Наиболее хорошо разработанными являются гетероструктуры на основе соединений В этой структуре более широкозонный материал получится из исходного материала путем замещения атомов на атомы в кристаллической решетке. Причем получаемый материал остается прямозонным вплоть до ).

Лазеры на основе этой гетероструктуры обычно работают в диапазоне длин волн от 0,75 до 0,9 мкм. Для более длинноволнового диапазона 1,3 и 1,55 мкм в настоящее время промышленностью осваиваются лазеры на осно­ве гетероструктуры, которые отвечают требованиям современ­ных ВОЛС. Рассмотрим подробнее работу полупроводникового лазера на двойной гетероструктуре Зонные диаграммы для этой ДГС в равновесном состоянии и при сильном положительном смещении приведе­ны на рис. 3.21, а и 3.21, б соответственно. В равновесном состоянии при сильнолегированном слое уровень Ферми в узкозонном материале распола­гается внутри валентной зоны. Режим накачки лазера обеспечивается путем подключения гетероструктуры к источнику тока. Зонные диаграммы под действием тока, протекающего в положительном направлении, показаны на рис. 3.20, б. Высокий уровень инжекции через '-переход (слева) приводит к тому, что уровень Ферми оказывается внутри зоны проводимостей области. В результате в области наблюдается инверсия населенности между энергетическими уровнями вблизи дна зоны проводимости и уровнями

3.6.9. Основные параметры и характеристики полупроводниковых лазеров

Рассмотрим систему параметров и характеристик, описывающих полу­проводниковые лазеры.

1. Ватт-амперная характеристика, определяющая зависимость мощности излучения лазера от величины тока накачки. Типичная ватт-амперная харак­теристика полупроводникового гетеролазера приводится на рис. 3.23 [59].

На этой характеристике можно выделить три участка. Первый участок -светодиодный, т.е. участок, на котором преобладает спонтанное излучение, смещение структуры еще не велико и инверсная населенность не достигнута. Лазер в этом режиме аналогичен светодиоду с торцевым выходом излучения. На втором участке доля индуцированных переходов уже сравнима с величи­ной спонтанного излучения. Такой режим работы называется суперлюминес­ценцией. И, наконец, третий участок, соответствующий режиму лазерной генерации. Мощность излучения на этом участке существенно выше, чем на первых двух, и зависимость мощности излучения от силы тока практически линейна. Однако на практике не все обстоит так гладко. Часто в лазерах наблюдается пульсация оптической мощности, что выражается в наличии характерных перегибов на ватт-амперной характеристике (рис. 3.24) [10]. Такие перегибы характерны для лазеров с волноводным усилением. Причину появления перегибов связывают с перераспределением боковых и попереч­ных мод (так называемый эффект перескока мод), при этом выходная мощ­ность излучения лазера возрастает с увеличением тока накачки существенно медленнее или даже падает до тех пор, пока не установится новый модовый состав излучения. Все вышесказанное является серьезной помехой для при­менения лазеров, когда требуется высокая линейность, и делает невозможной работу в аналоговом режиме. В таких лазерах проблему перескока мод уда­ется решить путем уменьшения ширины активной области менее 10 мкм. Главная причина нестабильности при этом сохраняется, но порог возникно­вения при этом удается сдвинуть за пределы нормального режима.

2. Спектральная характеристика определяет мощность излучения в зави­симости от длины волны. Рассмотрим зависимость спектральной характери­стики от тока накачки (рис. 3.25). Спектральная характеристика (см. рис. 3.25, а) соответствует светодиодному режиму. Ширина спектра в этом случае максимальна, а сама кри­вая имеет гладкий непрерывный ха­рактер. Спектр на рис. 3.25, б харак­терен при приближении величины тока накачки к /пор и соответствует режиму суперлюминесценции. Шири­на спектра в этом случае существенно меньше. И, наконец, спектральная кривая на рис. 3.25, в характерна для режима лазерной генерации. В этом случае на спектральной кривой четко прослеживаются спектры отдельных продольных мод, возникающие из-за неидеальности оптического резонато­ра. Ширина спектра при этом обычно не превышает нескольких нанометров, а ширина спектральной линии отдель­ной моды менее 0,01 нм. Наличие в спектре излучения боковых попереч­ных мод увеличивает ширину линии

каждой отдельной продольной моды.

По виду спектральной характеристики современные инжекционные лазеры подразделяются на одномодовые, когда основная мощность излучается на одной отдельной моде, а все остальные имеют существенно меньшую ампли­туду, и многомодовые, в которых имеется, по крайней мере, несколько мод

лением ограничивается только ток инжекции внутри активного слоя, при этом повышенная концентрация носителей в области ограничения приводит к скачку комплексного показателя преломления с отрицательной действи­тельной частью, поэтому коэффициент отражения от границ в этом случае меньше единицы, и волна частично распространяется в неактивной области, что и обусловливает искажения волнового фронта.

(». /. к),

Активная область, играющая роль резонатора в полосковом лазере, име­ет вид прямоугольного параллелепипеда (рис. 3.27). В резонаторе такой формы, вообще говоря, может существовать несколько типов колебаний (мод), каждое из которых характеризуется своей частотой, причем поскольку на этих частотах возможна лазерная генерация, то в выходном спектре лазе­ра возможно появление соответствующих спектральных линий. Каждую моду можно охарактеризовать тремя целыми числами (г, /, к), которые соответст­вуют числу максимумов распределения электромагнитного поля по трем вза­имно перпендикулярным направлениям внутри резонатора. В первом при­ближении условия резонанса соответствуют целому числу полуволн, уклады­вающихся на длине резонатора, причем расстояние между двумя модами

Дата добавления: 2017-01-14