1.1. Задачи лабораторной работы

Измерить зависимость выходной оптической мощности инжекционного полупроводникового лазера от тока накачки при различных температурах, определить его пороговый ток и крутизну ватт-амперной характеристики.

1.2. Теоретическая часть

1.2.1. Фотоэлектрические процессы в инжекционном полупроводни­ковом лазере

Инжекционные полупроводниковые лазеры (их также называют лазер­ными диодами) подобно другим типам лазеров (твердотельным или газо­вым), генерируют когерентное оптическое излучение. Вместе с тем по ряду важных характеристик лазерные диоды существенно отличаются от обычных лазеров:

• квантовые переходы в лазерных диодах обусловлены зонной структурой материала, поэтому в них достигается большое внутренне усиление;

• лазерные диоды имеют малые размеры (до 100 мкм в длину, порядка не­скольких микрометров в ширину, и доли микрометра толщиной), поэтому они имеют широкую диаграмму излучения;

• лазерное излучение возникает непосредственно под действием тока, про­текающего через прямо смещенный диод, что позволяет проводить моду­ляцию мощности излучения лазерного диода за счет модуляции тока на­качки;

• наличие встроенного оптического резонатора, образованного либо граня­ми кристалла (лезерный диод с резонатором Фабри-Перо) либо с помо­щью нанесения дифракционной решетки на поверхности кристалла (ла­зерный диод с распределенной обратной связью).

Работа лазерного диода связана с тремя основными процессами, обу­словленными переходом носителей: поглощением, спонтанной эмиссией и стимулированным излучением. Для описания этих процессов используем простую модель, которая состоит из двух энергетических уровней, характе­ризующих основное (E₁) и возбужденное (Е₂) состояние атома (Рисунок 1.1).

Любой переход между этими состояниями сопровождается испусканием или поглощением фотона с частотой  которую можно определить из соот­ношения  = Е₁-Е₂. При обычных температурах большинство атомов нахо­дится в основном состоянии и переходит в возбужденное состояние в резуль­тате воздействия на систему фотона с энергией, равной . Атом в состоянии Е₁ поглощает фотон и переходит в возбужденное состояние Е₂ (Рисунок 1.1, а). Возбужденное состояние является нестабильным, поэтому через короткий промежуток времени (в пределах 10^-9-10^-3 с) без какого-либо внешнего воздействия атом переходит в основное состояние, испуская фотон с той же энергией . Такой процесс называется спонтанной эмиссией (Рисунок 1.1, б). Столкновение фотона, обладающего энергией , с атомом, находящимся в возбужденном состоянии, стимулирует мгновенный переход атома в основное состояние с испусканием фотона с энергией  и фазой, соответствующей фазе падающего излучения. Такой процесс называется стимулированным излучением (Рисунок 1.1, в).

Рисунок 1.1. а - поглощение; б - спонтанное излучение; в - стимулированное излучение Основные типы переходов между энергетическими уровнями

Аналогичным образом происходят переходы при приложении внешнего напряжения смещения. Смещение лазерного диода в прямом направлении вызывает протекание тока и переход атомов в возбужденное состояние и об­ратно. Поэтому вначале, при низких значениях тока, возникает спонтанно из­лучение, распространяющееся во всех направлениях. При увеличении сме­щения ток достигает порогового значения, когда большинство атомов нахо­дится в возбужденном состоянии, при котором создаются условия для стиму­лированного излучения, и р-п переход испускает монохроматичный и строго направленный луч света. В результате систему будет покидать больше фото­нов с энергией , чем входить в нее. Такое явление называется квантовым усилением.

Для гомоструктур пороговая плотность тока быстро увеличивается с ростом температуры. С целью ее уменьшения используются лазеры на гете- роструктурах, в которых локализация носителей заряда происходит в узкой активной области, что способствует усилению стимулированного излучения и соответственно уменьшению пороговой плотности тока. Рисунок 1.2 пока­зывает структуру такого лазерного диода и его зонную диаграмму. Две боковые грани структуры скалываются или полируются перпендикулярно плос­кости перехода. Две другие грани делаются шероховатыми для того, чтобы исключить излучение в направлениях, не совпадающих с главным.

Рисунок 1.2. — Структура полоскового лазерного диода с двумя гетеропереходами и зон­ная диаграмма его активной области

За счет применения полосковой геометрии удается реализовать ряд пре­имуществ:

• уменьшить площадь поперечного сечения излучающей области, что при­водит к снижению рабочего тока;

• устранить возможность возникновения нескольких областей с высокой интенсивностью излучения (так называемых шнуров) при увеличении то­ка накачки (при ширине канала менее 15 мкм в лазере с полосковой гео­метрией можно обеспечить одношнуровой режим с излучением основной моды вдоль плоскости перехода);

• улучшить надежность за счет отдаления большей части периметра пере­хода от граней кристалла;

• уменьшить инерционность за счет снижения емкости перехода.

Рисунок 1.3 показывает типичную схема включения лазерного диода.

Рисунок 1.3. - Типичная схема включения лазерного диода:

а) на низких и высоких частотах, б) - в СВЧ диапазоне