Условие возникновения генерации в гетеропереходах

В лазерах возникновение незатухающих колебаний, т.е. генерация излучения, обусловлено многократным пропусканием в прямом и обратном направле­нии через активную область излучения, возникающее в ней. Условием для начала генерации является достижение уровня, когда усиление в активной среде за счет вынужденного излучения превышает все оптические потери.

В полупроводниковом лазере роль отражающих поверхностей выполняют две противоположные поверхности кристалла, полученные сколом.

Пусть в какой-то заданной точке активной области гетеролазера спонтанно возникает излучение с интенсивностью I₀, направленное вдоль оптической оси. После первого полного прохода по активной области, с двумя отражениями на зеркалах и возврата в эту же точку, интенсивность излучения становится рав­ной (см. также формулу (41)):

где g - коэффициент усиления;

а - коэффициент оптических потерь в активной области, связанной с

рассеянием на неоднородностях, поглощением на свободных носителях и т.п.;

L₀ - длина резонатора.

Для возникновения незатухающих колебаний необходимо чтобы после каждого полного прохода интенсивность излучения в каждой точке превышала первоначальное значение:

Или (42)

В (42) при выполнении равенства возникает лазерная генерация, и это условие называется пороговым условием.

В полупроводниковом лазере коэффициент усиления зависит как от параметров полупроводника, так и от плотности инжектированных носителей, тем­пературы и длины волны излучения.

Для представления порогового условия (42) к легко измеряемым внешним параметрам гетеролазера воспользуемся представлением коэффициента усиления на заданной частоте излучения через плотность тока накачки, полученной в работе [8]:

(43)

где - определяется как порог инверсии, т.е. значение плотности тока через гетеропереход, при котором возникает инверсная населенность в активной области (условие БКП);

- определяется через плотность тока лазера по формуле:

(44)

где - внутренняя квантовая эффективность (22);

d - толщина активной области.

В общем случае, зависимость от не является линейной и имеет вид:

(45)

Это означает, что усиление может расти с ростом тока квадратично или еще быстрее. Однако, в большинстве случаев линейное приближение вполне приемлемо. В этом случае, используя (42), (43) и (44), имеем следующее выражение для порогового условия:

- называется плотностью порогового тока после достижения, котором в активной области гетеролазера начитается генерация лазерного излучении После достижения порога генерации усиление в активной области компенсирует все оптические потери в резонаторе, в том числе излучение через зеркала.

Усиление может расти с ростом тока квадратично или еще быстрее. Однако, в большинстве случаев линейное приближение вполне приемлемо.

Дальнейший рост тока накачки приводит к увеличению выходной мощности по линейному от тока накачки закону:

где внешняя квантовая эффективность;

S – площадь поперечного сечения активной области.

Спектральный состав излучения гетеролазера определяется типами колебаний резонатора, для которых условие (42) выполняется раньше других.

На рисунке 4 представлена типичная зависимость мощности излучения от тока накачки. Значение тока I=I_пор соответствует началу генерации. Спектральный состав излучения полупроводникового гетеролазера приведен на рисунке 5. Показаны эквидистантно расположенные продольные моды лазерного резонатора.

Рисунок 4 - Зависимость мощности излучения от тока накачки

Рисунок 5 - Спектральный состав излучения полупроводникового гетеролазера

Экспериментальное измерение зависимости коэффициента поляризации лазерного диода от тока накачки I_н

Под поляризационной характеристикой понимается зависимость коэффициента поляризации излучения оптического источника от тока, протекающего через его p-n переход (ток накачки I_н).

1 Измерить зависимость коэффициента поляризации излучения оптического источника (ЛД1 или СД) от тока накачки. Для этого выполнить следующие операции.

2 Изменять ток накачки I_н с помощью ручки потенциометра на лицевой панели электронного блока «Блок питания излучателя» от 0 до значения, при котором показания цифрового индикатора «оптическая мощность отн.ед.» на лицевой панели блока «Фотоприемник» достигнет отметки 1 при минимальной чувствительности – кнопочный переключатель «чувствительность» – в положении «1». При каждом фиксированном значении I_н вращать поляризатор, расположенный между оптическим источником и фотодиодом вокруг своей оси. При вращении поляризатора вокруг своей оси на угол, превышающий 180 градусов, в случае, если излучение источника поляризовано, показания цифрового индикатора «оптическая мощность в отн. ед.» на лицевой панели блока «Фотоприемник», будут изменяться. Отметить минимальные (Р _min) и максимальные (P_max ) показания измерительного прибора, соответствующее им значение тока накачки I_н и занести их значения в таблицу 1. Измерения поводить, меняя ток накачки с шагом, указанным преподавателем.

3 При необходимости переключения пределов изменения тока накачки, необходимо предварительно повернуть ручку потенциометра регулировки I_н на лицевой панели электронного блока «Блок питания излучателя» в крайнее положение против часовой стрелки. При этом устанавливается нулевое его значение. После этого переключить предел изменения тока и установить необходимое его значение.

Таблица 1. Зависимость коэффициента поляризации излучения оптического источника (ЛД1 или СД) от тока накачки.

Iн (мА)
Рmin (от.ед.)
Рmax (от.ед.)
K

4 По полученным экспериментальным значениям вычислить величину модуля коэффициента поляризации для всех значений тока накачки и построить зависимость его от I_н. Вычисления коэффициента поляризации производить по формуле:

k = (Р_мак - Р_мin) / (Р_мак + Р_мin).

5 На построенном графике зависимости q (I_н) отметить значение тока I_п2 соответствующее появлению поляризационных свойств у генерируемого источником излучения (резкое увеличение коэффициента поляризации).

Рисунок 6 – Схема установки для исследования поляризации