Устройство и принцип действия полупроводникового инжекционного монолазера
В полупроводниковых лазерах активным элементом являются кристаллы полупроводника, образующие резонатор и возбуждаемые либо инжекцией тока через р-и-переход, либо пучком электронов. Соответственно различают инжекционные лазеры и лазеры с электронным возбуждением.
В полупроводниковых монолазерах индуцированные переходы происходят между занятыми электронными состояниями в зоне проводимости и вакантными состояниями в валентной зоне в области /?-и-перехода. Одно из главных отличий полупроводникового лазера от атомных молекулярных состоит в том, что эти переходы происходят не между двумя узкими энергетическими уровнями, а между состояниями, распределенными по энергии.
Первые инжекционные лазеры были созданы из арсенида галлия в форме параллелепипеда с планарным диффузионным р-и-переходом, расположенным перпендикулярно двум противоположным торцам полупроводникового кристалла (рис. 5.12).
Поскольку показатель преломления полупроводникового кристалла больше, чем у воздуха, его сколотые торцевые поверхности действуют как зеркала, так что генерация излучения и его усиление происходят внутри резонатора Фабри-Перо. При определенном пороговом уровне усиление превышает потери в объеме и на зеркалах для некоторой моды, и лазер начинает генерировать.
При включении инжекционного лазера в прямом направлении и малом токе накачки, как и в СИД возникает спонтанное излучение. Из множества спонтанных фотонов лишь некоторые из них отразятся от зеркала и пройдут в плоскости активного слоя. При увеличении тока накачки растет число электронов на верхнем энергетическом уровне в зоне проводимости (говорят, что имеет место «инверсная населенность уровня»). При этом спонтанный фотон вызывает переход электрона из зоны проводимости в валентную зону, где происходит рекомбинация и появляется стимулированный фотон (СТФ).
123 |
ПРИБОРЫ КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Металл |
Свет |
Т |
Зеркальный торцевой скол Металл
Активная область
Рис. 5.12. Структура инжекционного монолазера
Энергия СТФ, направление его движения, фаза в точности совпадают с соответствующими параметрами спонтанного фотона (СПФ). Таким образом, вместо одного фотона появились два. Если ток накачки достиг некоторого значения, называемого пороговым, этот процесс нарастает лавинообразно: два фотона порождают четыре, четыре - шестнадцать, и т. д. В результате мощность излучения резко возрастает (ватт-амперная характеристика инжекционного лазера приведена на рис. 5.13).
Рис. 5.13. Ватт-амперная характеристика инжекционного лазера |
Часть мощности излучения выводится наружу через оба зеркала (один из выходов инжекционного лазера может быть использован для контроля излучаемой мощности с помощью фотодиода). Заметим, что величина порогового тока зависит от температуры окружающей среды. При увеличении температуры мощность излучения на заданной длине волны резко падает (см. рис. 5.13).
Рассмотрим теперь особенности спектральной характеристики инжекционного лазера. При малых токах накачки имеет место спонтанное излучение, поэтому спектральная характеристика инжекционного лазера повторяет здесь аналогичную характеристику. Число мод в нем резко уменьшается, и характеристика имеет вид, изображенный на рис. 5.14. Ширина спектральной линии этой характеристики много меньше, чем ширина спектральной линии СИД. По этой причине при организации связи по одномодовым волокнам в качестве источ
ника излучения применяют только инжек - ционные лазеры, так как при этом резко уменьшается хроматическая дисперсия в оптическом волокне и возрастает дальность связи.
Рис. 5.14. Спектральная характеристика инжекционного лазера: АЯ. СЛ — ширина спектральной линии; >.0 — длина волны, соответствующая максимальной мощности излучения; Р„ — мощность излучателя |
Полупроводниковые лазеры работают в широком спектральном диапазоне — от 0,33 до 31 мкм. Лучшие параметры достигаются при охлаждении. Инжекционные лазеры работают в импульсном и непрерывном режимах, а лазеры с электронным возбуждением — в импульсном.
Мощность излучения полупроводникового лазера зависит от величины тока, протекающего через р-и-переход. Пороговая плотность тока накачки для серийно выпускаемых лазеров на ОаАв составляет (2хЮ3...Ю4) А/см2. При этом кпд составля - ’ет около 1%. КПД полупроводниковых охлаждаемых лазеров в импульсном режиме доходит до 50...80%, однако необходимость охлаждать кристалл до 77 К и даже 4 К заметно усложняет конструкцию лазера и сокращает срок его службы до единиц, а иногда десятков часов.
В полупроводниковых лазерах с электронным возбуждением за счет использования большей, чем в инжекционных лазерах, части активного вещества, можно достичь больших импульсных мощностей с небольших объемов. Такие лазеры работают в основном с охлаждением, хотя есть излучатели, работающие и при комнатной температуре. Конструктивно они представляют собой электровакуумный прибор, внутри которого устанавливается активный элемент — мишень на хладопроводе, а управление электронным пучком, бомбардирующим мишень, производится с помощью электромагнитной и электростатической систем. Такие лазеры, выполненные на основе Ок с рабочей длинной волны А. = 0,49 мкм, дают импульсы мощностью 200 кВт, длительностью 3 не при комнатной температуре и имеют кпд около 1%.
В переносных оптических системах находят применение малогабаритные полупроводниковые лазеры. Некоторые инжекционные лазеры имеют длину около 1 мм при толщине перехода 3...5 мкм, выходная мощность в импульсном режиме достигает (10...20) Вт, а кпд — 50%. Они позволяют осуществлять модуляцию излучения в широком диапазоне изменением тока накачки. К недостаткам таких лазеров следует отнести большой угол расходимости пучка, импульсный режим работы и широкую спектральную полосу генерируемого излучения.