Главная  Оптические магистрали 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [ 93 ] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

Рис. 10.11. Спектральные характеристики излучения полупроводникового лазера при различных токах накачки. Характеристики соответствуют областям кривых а, б и в рис. 10.10: а - споитаииое излучение; б - суперлюмииесцеицня; в - лазерное излучение

а9/7 0.89 Л, МММ


1,382 egj.3

в лазерном режиме называется дифференциальной квантовой эффективностью

T1D = (е/бф) (АФ/А/). (10.4.1)

Необходимо отметить, что увеличение тока накачки за порогом не сопровождается ростом коэффициента усиления, величина которого ос-практически неизменной

тается

*рас

(10.4.2)

если /?2 = \, а Rx = R. Подразумевается, что коэффициент усиления и концентрация носителей насыщаются выше порога, а оптическая мощность растет почти полностью за счет процесса индуцированного-излучения.

В § 8.5 было показано, что только часть спонтанного излучения, равная (1 -/?)/, выходит через поверхность полупроводника. Доля индуцированного излучения в лазере значительно выше, поскольку



большая его часть распространяется под прямым углом к выходным граням и многократно отражается от них, пока не выйдет наружу. Будем обо.чначать коэффициент передачи индуцированного излучения /". Тогда общая излучаемая лазером выше порога мощность

Ф = (1 -;?)/ г,,,, -+г т,„„д(/-/„„р), (10.4.3)

где )]с„ и т)„„д - внутренние квантовые эффективности для спонтанного и индуцированного излучения соответственно. В § 8.5 вместо т)сп писали Пвнут, но здесь необходимо различать два механизма излучения. Дифференцируя (10.4.3), получаем

По - = (1~-/?)/т1с„+Гт1и„„«Г W (10.4.4)

Еф Д/

Выразим /" через коэффициент усиления g (Вф) и коэффициент потерь Ярас Как следует из (10.1.13), мощность индуцированного излучения, генерируемая на единице длины активного вещества, пропорциональна g (бф). Доля, пропорциональная flpac. рассеивается и теряется, в то время как оставшаяся часть пропорциональна g (Сф) - «рас и составляет выходное лазерное излучение. Таким образом,

I" ... S (еф) -Qpac " (10.4.5)

б(еф)

(10.4.6)

2«рас 1п(1 ?) + 11 С учетом (10.4.2)

1 "рас I

1п(1 ?)

(10.4.7)

Из (10.4.7) следует, что дифференциальная квантовая эффективность может быть увеличена, если увеличить Цяпш, или уменьшить «рас-Желательно и то, и другое. Снижение / или /< также приводит к возрастанию x\D, но в то же время растет Уцор- результате отношение Ф может не увепичиться.

На практике зависимость оптической мощности от тока менее гладкая, чем представлено на рис. 10.10. В лазерном режиме часто наблюдаются пульсации оптической мощности. В гл. 11 обсудим работы, направленные на устранение этого нежелательного явления.

ЗАДАЧИ

10.1. Обосновать правильность равенства (10.1.3).

10.2. Лазер на двойной гетероструктуре GaAs/GaAIAs имеет длину резонатора 0,3 мм, коэффициент потерь Орас = 1 мм-* н коэффициент отражения граней 0,33.

а) Рассчитать, насколько снизится пороговый коэффициент усиления в результате уиелнчення коэффициента отражения иа одном торце до 100 %.



б) Используя приведенные на рис. 10.9 графики, оценить связанное с этим изменением уменьшение /дфф при комиатиой температуре.

в) Ширина активного слоя 10 мкм, глубина 0,4 мкм, внутренняя квантовая эффективность лазера 0,7. Рассчитать воздействие указанного изменения коэффициента отражения на пороговый ток.

10.3. В конкретном Оа.Лз-лазере, имеющем резонатор длиной 0.3 мм (fi -4), для досгижения порога требуется коэффициент усиления 6 мм-. Используя теоретическую зависимость, представленную на рис. 10.8, оценить число продольных лазерных мод, возбуждаемых при 297 К током с эффективной плотностью 1яф-~ 60 А/м.м- мкм. Объяснить, почему увеличение плотности тока ие приводит к возрастанню числа генерируемых мод.

РЕЗЮМЕ

Для осуществления работы лазера в двухуровневой системе требуется: а) инверсия населенности для обеспечения оптического усиления путем индуцированного излучения; б) оптический резонатор для обеспечения положительной оптической обратной связи.

Лазерный режим наблюдается, когда усиление превышает суммарные потери:

g. -Т-7Г~- > «рас + ~ln(l/R, /?.,).

»Л /liTn 21

При этом меняется и характер излучения. Индуцированное излучение становится преобладающим над спонтанным. Параметры ре:юнато-ра оказывают существенное влияние на характеристики излучения, оно становится монохроматическим и когерентным.

Оптическое усиление может наблюдаться в полупроводнике, если энергетический зазор .между квазиуровнями Ферми для электронов и дырок превышает ширину запрещенной зоны. Для этого требуется ин-жекция неосновных носителей в сильно легированную область. Эмпирически установлено

Гтах = Р1ф -{ф)о1. где Jэф = nя,yтJ/d.

Имеется некоторая пороговая плотность тока Jnop> слегка превышающая (Уэф)о /т1внут. ниже которой преобладает спонтанное излучение, а выше - быстро возрастает индуцированное (см. рис. 10.10). При этом наблюдается изменение спектральных характеристик, как показано на рис. 10.11:

/пор - (Лф)о d/Tie„vT + (а/т (d/Лвнут) = л ехр (Т/То).

Температура То составляет около 150 К для GaAIAs/GaAs лазеров и около 70 К для приборов на основе InGaAsP/InP. В лазерном режиме

АФ/А/ = т1оеф/е, где Цо n«„A + 2aj,J/ln(l/R)]~\



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [ 93 ] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127] [128] [129] [130] [131] [132] [133] [134] [135] [136] [137] [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] [150] [151] [152] [153] [154] [155] [156] [157] [158] [159] [160] [161] [162] [163] [164] [165]

0.0012