Пороговая плотность тока лазера

Заметим, что с уменьшением d пороговая плотность тока / пор вначале уменьшается, достигает минимума, а затем увеличивается. Однако, если толщина d становится очень малой, поле уже не удерживается внутри активного слоя ( см. рис. 6.44, б) и крылья пучка испытывают существенные потери в р — и — областях перехода. [16]

В конечном итоге гетеролазеры по сравнению с гомогенными имеют в десятки раз меньшую пороговую плотность тока и больший КПД, что, в свою очередь, позволяет осуществить непрерывный режим генерации при комнатной температуре. [18]

Пороговая плотность тока существенно зависит от температуры инжекционного лазера: для лазеров на основе арсенида галлия пороговая плотность тока порядка 102 А / см2 при Т 4 2 К и порядка 104 А / см2 при 77 К. Таким образом, для уменьшения пороговой плотности тока необходимо глубокое охлаждение инжекционного лазера. Инжекционные лазеры с использованием гетеропереходов, имеющие значительно меньшие пороговые плотности токов, могут работать при комнатной температуре в непрерывном режиме. [20]

Пороговая плотность тока существенно зависит от температуры ин-жекционного лазера: для лазеров на основе арсенида галлия пороговая плотность тока порядка 102 А / см2 при температуре 4 2 К и порядка 10 А / см2 при 77 К. Таким образом, для уменьшения пороговой плотности тока необходимо глубокое охлаждение ин-жекционного лазера. Инжекционные лазеры с использованием гетеропереходов, имеющие значительно меньшие пороговые плотности токов, могут работать при комнатной температуре в непрерывном режиме. [21]

Пороговая плотность тока существенно зависит от температуры инжекционного лазера: для лазеров на основе арсенида галлия пороговая плотность тока порядка 102 А / см2 при Г 4 2 К и порядка 104 А / см2 при 77 К. Таким образом, для уменьшения пороговой плотности тока необходимо глубокое охлаждение инжекционного лазера. Инжекционные лазеры с использованием гетеропереходов, имеющие значительно меньшие пороговые плотности токов, могут работать при комнатной температуре в непрерывном режиме. [22]

Минимальная плотность — roka через прибор, при которой на одной из частот усиление в активной среде компенсирует потери в резонаторе, называется пороговой плотностью тока . При плотности тока-выше пороговой возникает генерация в приборе. Акты рекомбинации стимулируются распространяющейся световой волной. Излучение становится когерентным и направленным. [23]

При этом инжектированные в базу носители оказываются в потенциальных ямах. Все это обеспечивает значительно меньшие пороговые плотности токов в гете-ролазерах. [25]

Лазерный эффект возникает только в том случае, если достигнутый коэффициент усиления для волны, проходящей через резонатор, превышает оптические потери. У инжекционных лазеров существует пороговая плотность тока , начиная с которой это условие удовлетворяется. При гоках ниже этого порога диоды испускают только спонтанное излучение. Для вычисления порогового тока необходимо знать величину потерь и достижимое оптическое усиление в зависимости от плотности тока. [26]

Пороговая плотность тока лазера

К недостаткам излучающих диодов можно отнести сравнительно малую мощность излучения (порядка 10 мВт) и большую спектральную ширину полосы излучения (100-500 А ). Этих недостатков лишены инжекционные лазеры, основные положения о работе которых были сформулированы в трудах Н.Г.Басова, О.Н.Крохина и Ю.М.Попова в 1961 г. Инжекционным или полупроводниковым лазером называется генератор когерентного во времени и в пространстве рекомбинационного излучения, которое возникает в базе диода при плотности тока, протекающего через р – n переход, превышающей некоторое пороговое значение.

В настоящее время инжекционные лазеры изготавливаются на основе ряда прямозонных полупроводниковых соединений (GaAs, PbTe, PbSe и др.) и твердых растворов, и они перекрывают диапазон длин волн когерентного излучения от 0,9 до 28 мкм. Инжекционные лазеры позволяют получать монохроматическое излучение (ширина спектральной линии 0,1-1 А ) большой мощности. Например, для лазера на основе GaAs при 10 К выходная мощность в непрерывном режиме составляет 10 Вт, пиковая мощность в импульсном режиме при 78 К — сотни ватт, а при 300 К — десятки ватт. Причем лазеры такого типа имеют высокие значения КПД преобразования электрической энергии в энергию излучения. КПД может достигать 50-80%.

Кроме того, имеется возможность управления длиной волны излучения лазера за счет изменения тока, протекающего через р — n переход, или изменения температуры теплоотвода, а также с помощью магнитного поля или давления. Все эти достоинства полупроводниковых лазеров открывают широкие перспективы их применения в промышленности и в научных исследованиях. Благодаря малым размерам и возможности высокочастотной модуляции излучаемой мощности полупроводниковый лазер представляет собой один из перспективных источников излучения для волоконно-оптических систем связи. В научных исследованиях лазеры используются в молекулярной и атомной спектроскопии, газовой спектроскопии высокого разрешения и для контроля загрязнения атмосферы.

Полуповодниковые лазеры, подобно другим лазерам (таким, как рубиновый лазер или же лазер на смеси He — Ne), испускают излучение, когерентное в пространстве и во времени. Это означает, что излучение лазера высоко монохроматично (имеет узкую полосу спектра) и создает строго направленный луч света. Вместе с тем по ряду важных характеристик полупроводниковык лазеры существенно отличаются от лазеров других типов.

1. В обычных лазерах квантовые переходы происходят между дискретными энергетическими уровнями, тогда как в полупроводниковых лазерах переходы обусловлены зонной структурой материала.
2. Полупроводниковые лазеры имеют очень малые размеры (

0,1 мм в длину), и так как активная область в них очень узкая (

1 мкм и меньше), расхождение лазерного луча значительно больше, чем у обычного лазера.

3. Пространственные и спектральные характеристики излучения полупроводникового лазера сильно зависит от свойств материала, из которого сделан переход (таких свойств, как структура запрещенной зоны и коэффициент преломления).
4. В лазере с р-n переходом лазерное излучение возникает непосредственно под действием тока, протекающего через прямосмещенный диод. В результате система очень эффективна, поскольку позволяет легко осуществлять модуляцию излучения за счет модуляции тока. Так как полупроводниковые лазеры характеризуются очень малыми временами стимулированного излучения, модуляция может проводиться на высоких частотах.

В качестве материалов, используемых в полупроводниковых лазерах применяются полупроводники с прямой запрещенной зоной. Это обусловлено тем, что излучательные переходы в прямозонных полупроводниках представляют собой процесс первого порядка и вероятность переходов высока. В полупроводниках с непрямой зоной излучательная рекомбинация выступает как размер второго порядка, так что вероятность излучательных переходов существенно ниже. Кроме того, в непрямозонных полупроводниках при увеличении степени возбуждения потери, связанные с поглощением излучения на инжектированных свободных носителях, возрастают быстрее, чем усиление.

Стимулированное излучение. Работа лазера связана с тремя основными процессами, обусловленными переходом носителей: поглощение, спонтанной эмиссии и стимулированным излучением. Рассмотрим два энергетических уровня E 1 и Е 2 , один из которых Е 1 характеризует основное, а другой Е 2 — возбужденное состояние. (рис. 1)

Любой переход между этими состояниями сопровождается испусканием или поглощением фотона с частотой n 12 , определяемой из соотношения h n 12 =E 2 -E 1 . При обычных температурах большинство атомов находится в основном состоянии. Эта ситуация нарушается в результате воздействия на систему фотона с энергией, равной h n 12 . Атом в состоянии E 1 поглощает фотон и переходит в возбужденное состояние Е 2 . Это и составляет процесс поглощения излучения. Возбужденное состояние является нестабильным и через короткий промежуток времени без какого-либо внешнего воздействия атом переходит в основное состояние, испуская фотон с энергией h n 12 (спонтанная эмиссия) . Время жизни, связанное со спонтанной эмиссией (т.е. среднее время возбужденного состояния), может изменяться в широком диапазоне, обычно в пределах 10 -9 — 10 -3 с, в зависимости от параметров полупроводника, таких, как структура зон (прямая или не прямая) и плотность рекомбинационных центров. Столкновение фотона, обладающего энергией h n 12 , с атомом, находящемся в возбужденном состоянии, стимулирует мгновенный переход атома в основное состояние с испусканием фотона с энергией h n 12 и фазой, соответствующей фазе падающего излучения (стимулированное излучение) . В условиях теплового равновесия в основном состоянии находится больше атомов, чем в возбужденном. Если возникает обратная ситуация, то говорят об инверсной населенности. При взаимодействии фотонов, обладающих энергией h n 12 , с простой системой (рис.1) , в которой уровень Е 2 инверсно заселен по отношению к уровню Е 1 , стимулированная эмиссия будет преобладать над поглощением, и в результате систему будет покидать больше фотонов с энергией h n 12 , чем входить в нее. Такое явление называется квантовым усилением . Неравенство (Е FC — E FV ) > h n является необходимым для того, чтобы стимулированное излучение преобладало над поглощением (Е FC — E FV — квазиуровни Ферми).

На рис. 2 показана базовая структура лазера с p-n переходом. Две боковые грани структуры скалываются или полируются перпендикулярно плоскости перехода. Две други грани делаются шероховатыми для того, чтобы исключить излучение в направлениях, не совпадающих с главным. Такая структура называется резонатором Фабри-Перо . Смещение лазерного диода в прямом направлении вызывает протекание тока. Вначале, при низких значениях тока, возникает спонтанное излучение, распространяющееся во всех направлениях. При увеличении смещения ток достигает порогового значения, при котором создаются условия для стимулированного излучения, и р-n переход испускает монохроматичный строго направленный луч света. Для гомоструктур (например для р-n переходов на основе GaAs) пороговая плотность тока быстро увеличивается с ростом температуры. При комнатной температуре типичное значение J th составляет 5*10 4 A/см 2 . Такая большая плотность тока создает серьезные трудности для реализации режима непрерывной генерации при 300К.

С целью уменьшения пороговой плотности тока были реализованы лазеры на гетероструктурах (с одним гетеропереходом — nGaAs-pGaAs-Al(x)Ga(1-x)As ; c двумя гетеропереходами — Al(x)Ga(1-x)As-GaAs-Al(x)Ga(1-x)As) . В структуре с двумя гетеропереходами носители сосредоточены внутри активной области d, ограниченой с обеих сторон потенциальными барьерами; излучение также ограничено этой областью вследствие скачкообразного уменьшения показателя преломления за ее пределы. Эти ограничения способствуют усилению стимулированного излучения и соответственно уменьшению пороговой плотности тока.

На рис. 3 приведена зависимость J th от рабочей температуры для трех лазерных структур. Самая слабая зависимость от температуры наблюдается для лазеров на двойных гетероструктурах ( ДГ-лазерах ). Поскольку J th в ДГ-лазерах при 300К может достигать значений порядка 10 3 А/см 2 и менее, оказывается возможным реализовать режим непрерывной генерации при комнатной температуре. Благодаря этому лазеры нашли широкое применение в науке и промышленности, в частности в ВОЛС.

На рис.4 приведена зависимость коэффициента усиления от плотности тока , рассчитанная для GaAs. По мере увеличения тока усиление растет до тех пор, пока не достигается порог лазерной генерации, т.е. не создаются условия, при которых световая волна проходит через резонатор без затухания.

g 0 /J 0 =5*10 -2 см*мкм/А, J 0 = 4,5*10 3 А *см 2 *мкм
Г — коэффициент оптического ограничения
a — потери на излучения на единице длины, обусловленные поглощением на свободных носителях и рассеянием на дефектах
L — длина резонатора.
R — коэффициент отражения зеркал резонатора.
d — активный слой
h — квантовая эффективность.

Низкая пороговая плотность тока в гетеролазерах обеспечивается двумя факторами:

1) ограничением носителей энергетическими барьерами между активной областью и слоем полупроводника с более широкой запрещенной зоной

2) оптическим ограничением за счет резкого уменьшения показателя преломления за пределами активной области.

На рис.5 показан полосковый лазер. Мезополосковая структура лазера создается путем травления. После нанесения металлических контактов осуществляется завершающая операция скалывания граней, в результате которой формируется резонатор Фабри-Перо. В такой структуре не надо создавать окисную изоляцию или проводить протонную бомбардировку. Боковое ограничение тока достигается за счет высокого контактного сопротивления между металлом и слаболeгированным p-AlGaAs. Этот лазер имеет низкую пороговую плотность тока, линейную ВАХ и работает в режиме генерации основной поперечной моды с одной продольной модой на длине волны 0,861 мкм.

В настоящее время созданы полупроводниковые лазеры на основе структур со сверхрешеткой. Такие приборы называются гетеролазерами с квантовыми ямами . Изготавливаются на основе стуктуры Al(x)Ga(1-x)As — GaAs методом химического вакуумного осаждения из металлоорганики. Преимущество лазеров с квантовыми ямами состоят в высокой квантовой эффективности, низком пороговом токе(1 мА и менее) и слабой чувствительности к изменениям температуры.

На рис. 6 приведена типичная зависимость мощности ДГ-лазера при возрастании тока от низких значений, характерных для спонтанной эмиссии, до значений, превышающих порог лазерной генерации. На начальном участке, соответствующем спонтанной эмиссии, интенсивность излучения медленно растет с увеличением тока, протекающего через диод, а после возбуждения лазерной генерации резко возрастает.

Режим спонтанной эмиссии, наблюдающейся при низких токах, характеризуется широким спектром излучения (полуширина спектра обычно составляет 100 — 500 А). При возрастании тока до значений, близких к пороговому, спектр излучения становится уже. На рис. 7 приведены спектры для различных значений тока, иллюстрирующие эффект сужения полосы излучения при переходе к режиму лазерной генерации.

При пропускании через лазер импульса тока с амплитудой, достаточной для получения стимулированного излучения, генерация излучения обычно начинается с задержкой, равной нескольким нс. Время задержки связано с временем жизни неосновных носителей.

Деградация лазеров. Деградация инжекционных лазеров обусловлена целым рядом механизмов. Выделяют три основных типа деградации:

1) катастрофическое разрушение ;

2) образование дефектов темных линий ;

Катастрофическое разрушение происходит под действием больших мощностей излучения, приводящих к непрерывному повреждению зеркал лазера вследствие образования на их поверхности ямок и канавок.

Дефекты темных линий представляют собой сетку дислокаций, которые могут формироваться в процессе работы лазера и внедряться внутрь резонатора. Появившись, она может сильно разрастись в течение нескольких часов и вызвать увеличение плотности порогового тока.

Длину волны излучения полупроводникового лазера можно регулировать путем изменения тока диода или температуры теплоотвода, а также с помощью магнитного поля или давления. Такие достоинства полупроводниковых лазеров, как возможность перестройки длины волны узкой линии излучения, высокая стабильность, низкая потребляемая мощность, простота конструкции, открывают широкие перспективы их применения в промышленности и фундаментальных исследованиях, таких как молекулярные и атомные спектроскопы, газовые спектроскопы высокого разрешения и контроль загрязненности атмосферы. Также полупроводниковые лазеры применяются в качестве источников излучения для волоконно-оптических линий связи (ВОЛС).