0. 6.1.2 Полупроводниковый лазер

Выражение «лазер» является аббревиатурой английской фразы (LASER) Light Amplification by Stimulated Emission – усиление света вынужденным излучением. Именно эти два процесса – усиление и вынужденное излучение и характеризуют суть явлений, происходящих в лазере.

Для представления процессов происходящих в лазере, рассмотрим на простейшей двухуровневой энергетической модели излучения света (рисунок 6.9).

Рисунок 6.9

Если отсутствует внешний источник энергии, в материале имеет место тепловое равновесие и большинство электронов в нем будет находится на нижнем энергетическом уровне Е_v, причем концентрация электронов N_v и N_с связаны распределением Больцмана

(6.6)

где k – постоянная Больцмана,

Т – температура в градусах Кельвина.

Если материал поместить во внешнее поле фотонов с энергией Е_ф=(Е_с-Е_v)=fh, то под влиянием этой энергии в материале могут происходить следующие процессы: поглощение излучения (фотонов), спонтанное излучение и стимулированное (вынужденное) излучение. Эти три процесса связаны между собой уравнением Эйнштейна:

(6.7)

где E(f) – полная энергия поля фотонов на единицу объема материала,

А₂₁ – коэффициент, определяемый вероятностью вынужденного перехода в единицу времени с уровня Е_с на уровень Е_v,

В₂₁ и В₁₂ – коэффициенты, определяемые вероятностью вынужденного перехода электронов с энергетического уровня Е_с на Е_v и наоборот (таким образом произведение В₁₂·Е(f) характеризует вероятность поглощения, а произведение В₂₁·Е(f) – вероятность вынужденного излучения),

N_v и N_c – число электронов.

Физический смысл уравнения Эйнштейна можно представить так: левая часть определяет поглощение энергии внешнего фотонного поля в единицу времени, а правая – полную энергию, выделяемую в веществе в виде спонтанного и стимулированного излучения. Условие вынужденного излучения записывается:

(6.8)

При одинаковых В₂₁ и В₁₂ должны быть созданы условия инверсной населенности N_c>N_v, что трактуется как необходимость усиления (возбуждение) электронов.

Таким образом, для создания условия стимулированного излучения необходимо выполнение неравенства

(6.9)

что свидетельствует о необходимости получения сильного электромагнитного поля (высокой концентрации фотонов) в веществе. Из соотношения (6.9) видно, что вынужденное (стимулированное) излучение преобладает над спонтанным при значительном увеличении энергии фотонов Е(f). Таким образом, можно утверждать, что в любом лазерном материале должна существовать область с инверсной населенностью и связанная с ней область, в которой происходит увеличение энергии фотонов в единице объема материала. Эту область принято называть резонатором (рисунок 6.10).

Рисунок 6.10

В широком смысле резонатором называют колебательную систему, в которой возможно накопление энергии электромагнитных, акустических или механических колебаний. В пространственных (объемных) резонаторах могут возбуждаться колебания только определенных длин волн и определенной структуры, образующие стоячую волну. Частоты этих колебаний называются резонансными или собственными частотами резонатора, а колебания модами резонатора. Чаще всего применяют резонатор Фабри-Перо (РПФ), представляющий собой два плоских зеркала, расположенных строго параллельно друг друга вдоль направления излучения.

Электромагнитные волны, распространяясь вдоль оси резонатора будут отражаться от зеркал и интерферировать между собой образуя стоячие волны (моды).

Условие образования стоячих волн записывается:

(6.10)

где m=1, 2, 3, … - число полуволн (модовое число),

L – длина резонатора,

λ – длина волны.

Частотное расстояние между двумя ближайшими колебаниями определяется соотношением:

(6.11)

С учетом показателя преломления среды внутри резонатора можно записать

(6.12)

Важной характеристикой резонатора является добротность резонатора

(6.13)

где R – коэффициент отражения зеркал.

Простейшая структура полупроводникового лазера (ППЛ) представлена на рисунке (6.11).

Рисунок 6.11

Она состоит из легированных р и n областей, между которым находится очень тонкая (0,1 1,0 мкм) активная область, в которой с помощью источника питания Е_п создается инверсная населенность. Поверхности торцов параллелепипеда (лазера) шлифуются и являются зеркалами, расположенными строго параллельно друг другу и вместе с активной областью образует резонатор Фабри-Перо.

При малых токах накачки в активной области 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 (имеет место «инверсионная населенность уровня»). При этом спонтанный фотон побуждает (индуцирует) переход электрона из зоны проводимости в валентную зону, где происходит рекомбинация и появляется стимулированный фотон (СТФ), рисунок 6.12.

Рисунок 6.12

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 восемь и так далее. В результате мощность излучения резко возрастает (ватт-амперные характеристики приведены на рисунке 6.14). Мощность излучения выводится наружу и как показано на рисунке 6.11 через оба зеркала (один из выходов ППП может быть использован для контроля, с помощью фотодиода, излучаемой мощности). Величина порогового тока зависит от температуры. При увеличении температуры мощность излучения на заданной длине волны резко падает (рисунок 6.14). Так как свет излучается из очень узкой активной области, диаграмма направленности ППЛ значительно уже (кривая 1, рисунок 6.13), чем диаграмма СИД (кривая 2, 3, на рисунке 6.13) что уменьшает потери при вводе излучения в оптическое волокно.

Рисунок 6.13

Рисунок 6.14

Рассмотрим особенности спектральной характеристики полупроводникового лазера. При малых токах накачки имеет место спонтанное излучение, поэтому спектральная характеристика ППЛ повторяет здесь аналогичную характеристику СИД. При токах накачки выше порогового тока излучение канализируется, число мод в нем резко уменьшается и характеристика имеет вид как на рисунке 6.15.

Рисунок 6.15

Ширина спектральной линии этой характеристики много меньше, чем ширина спектральной линии СИД. По этой причине при организации связи на одномодовых волокнах в качестве источника излучения применяют ППЛ, так как при этом резко уменьшается хроматическая дисперсия в ОВ и возрастает дальность связи.

Выше расположены основные характеристики простейшего лазера, выполненного на основе одного вида полупроводника типа (GaAs) называемого гомолазером. Недостатками такого лазера являются:

• значительные токи накачки, необходимые для достижения генерации (порядка I_н = 1A, такой ток может вызвать разрушение кристалла)

• значительное количество мод, генерируемое лазером, что препятствует его применению в ВОСП, работающих по одномодовому волокну.