Квантовая и оптическая электроника

171

На грани могут наноситься отражающие покрытия, но обычно френелевского отражения бывает достаточно для достижения высокой добротности резонатора. Выносные отражатели используют лишь в случае, когда необходима дополнительная селекция мод.

Отражатели на торцах волновода могут заменяться периодической структурой, образованной за счет пространственной модуляции параметров волновода. Для создания распределенной обратной связи пространственной модуляцией может быть охвачен весь волновод. Для уменьшения добротности паразитных мод нерабочие поверхности кристалла делают шероховатыми.

Большое значение при конструировании лазерного диода имеет создание малого омического контакта с подводящими электродами и обеспечение эффективного отвода тепла. В галетных конструкциях лазерный диод зажимается между двумя массивными хладопроводами или спаивается с ними. Для обеспечения механической прочности данная конструкция помещается в герметический корпус вместе с трансформатором, согласующим ннзкоомную нагрузку лазерного диода с импульсным генератором тока.

Несколько лазерных диодов могут быть конструктивно объединены в один блок, образуя лазерную многоэлементную решетку. Обычно такие решетки конструируют по принципу некогерентного сложения излучения, когда каждый лазерный диод оптически не связан с остальными.

К числу параметров, определяющих рабочие характеристи- ки лазеров, относят времена релаксации, параметры среды и резонансной структуры. Структура энергетических уровней полупроводника такова, что за время Т2 ≈ 10–13 с происходит быстрое установление квазиравновесного распределения электронов внутри зон. Время спонтанной электронно-дырочной рекомбинации Т1 ≈ 10–10 с. Малая длина резонатора и большая величина потерь на поглощение и рассеяние излучения приводят к небольшим временам затухания поля в резонаторе Тр ≈ 10–11 с.

Спектр излучения лазеров зависит от ширины и формы линии усиления (инжекционной электролюминесценции), которые меняются при изменении уровня накачки. Температурная зависимость ширины запрещенной зоны и плотности заполнения электронных состояний в энергетических зонах влияет на изменение

172

формы линии усиления и положения центральной частоты перехода. Линия спонтанного излучения является однородно уширенной, однако получение одномодового излучения в инжекционных лазерах затруднено из-за сильного влияния пространственной неоднородности насыщения усиления в поле стоячей волны в резонаторе и сложности создания пространственно однородной накачки.

Для продольной моды резонатора длина пробега световой волны в резонаторе туда и обратно равна целому числу длин волн. Если N — порядок моды, то для этой моды имеем Nλ=2Ln.

Для следующей соседней моды порядка N+1 c длиной волны аналогично можно записать (N+1) λN+1 = 2nL. Интервал меж-

ду соседними модами определяется выражением ΔνN = c 2Ln.

Так при λ = 0,9 мкм, n = 3,6 и L = 300 мкм интервал между модами составляет Δλ = 0,4 нм. Обычно ширина спектральной линии много больше интервала между частотами соседних мод резонатора. В этом случае в пределах ширины спектральной линии среды размещается несколько продольных мод. Это можно видеть на регулярной линейной структуре спектра излучения. Число мод, выходящих в генерацию, можно изменять размерами резонатора, при большой длине резонатора число мод в пределах спектральной ширины линии возрастает, так как уменьшается интервал частот соседних мод.

Расстояние между соседними модами ≈1 А& , что соответству-

ет:

и показателе преломления n=3,6.

При превышении порогового значения плотности тока накачки спектр изучения обогащается новыми типами колебаний, причем обычно генерация становится многомодовой, если и не на самом пороге генерации, то при весьма незначительном превышении (на несколько процентов). Несмотря на использование полосковой геометрии в ЛД, число генерируемых мод все-таки доста-

173

точно велико. Исключение представляют специальные селективные резонаторы, а также резонаторы очень малых размеров.

Рассмотрим влияние температуры на изменения частоты излучения. Оно связано, во-первых, с зависимостью показателя преломления от температуры. Для ОКГ на арсениде галлия изменение частоты от температуры имеет вид

Следовательно, для получения стабильной частоты излучения желательно работать при низкой и постоянной температуре.

При изменении температуры изменяется ширина запрещенной зоны и область усиления сдвигается по шкале частот, причем этот сдвиг происходит в ту же сторону, но быстрее, чем сдвиг мод резонатора. Это приводит к скачкообразному изменению мод при импульсном режиме работы. Во время импульса температура полупроводника меняется и изменяется частота излучения. Генерация на данной моде будет происходить до тех пор, пока усиление на данной моде будет превосходить потери. Когда из-за сдвига запрещенной зоны это условие нарушится, медленное изменение частоты должно превратиться в скачкообразное. Излучение будет происходить на другой моде, характеризующейся превышением усиления над потерями при измененной запрещенной зоне.

Увеличение температуры из всего вышеописанного можно определить как

Например, при 20 0К и L=0,3 мм T = 7 0K . При меньших изменениях температуры скачка мод происходить не будет, но частота выходного сигнала изменяться будет.

Скорость смещения центра линии усиления при нагреве лазерного диода импульсом накачки превышает скорость температурного дрейфа частот резонатора. Это приводит к непрерывному или дискретному изменению спектрального состава излучения в течение действия импульса.

Таким образом, спектр излучения инжекционных лазеров составляет несколько десятков ангстрем. Одномодовый режим излу-

174

чения и узкий спектр можно получить лишь в генераторах непрерывного режима с внешним селективным резонатором и при условии стабилизации тока накачки и температуры.

Пороговая плотность тока. Для возникновения индуцированного излучения необходимо, чтобы потери энергии на поглощение компенсировались усилением. Выполнение этого условия характеризуется минимальным значением плотности тока, необходимого для перевода генератора на полупроводниковом диоде в режим когерентного излучения. Причем пороговая плотность тока сильно зависит от температуры. Так, например, при изменении температуры от 4,2 до 125 0К величина плотности энергии возрастает в 25 раз. При высоких температурах изменения плотности порогового тока (Jпор) пропорциональны Т3. При комнатной температуре в гомогенных лазерах пороговый ток достигает плотно-

степени вырождения (т.е. в конечном счете от формы энергетического спектра и от температуры), r1 и r2 — коэффициенты отражения зеркал.

Квантовая эффективность лазеров характеризуется отношением числа излучаемых из резонатора фотонов к числу инжектированных электронов. Полная квантовая эффективность лазера

фективность резонатора как отношение потерь на вывод излуче-

175

ния αр/ к полным потерям α; последний сомножитель v — квантовую эффективность инжекции электронов как отношение числа излучательных переходов к полному числу переходов. Максимальное значение квантовой эффективности достигается при оптимальном согласовании добротности резонатора с усилением среды:

Мощность излучения лазеров ограничена лучевой стойкостью и предельно допустимой температурой кристалла. Для одноэлементных лазеров мощность излучения растет практически линейно с увеличением тока накачки, достигая импульсной мощности в несколько десятков ватт и непрерывной мощности в несколько милливатт. Пороговая плотность тока накачки пропорциональна ширине спектральной линии; глубине проникновения поля в поглощающие области перехода; потерям, обусловленным поглощением, рассеянием излучения и выводом из резонатора. Перегрев лазерного диода является причиной снижения мощности излучения.

Диаграмма направленности лазеров значительно шире диаграммы, определяемой дифракционной расходимостью излучения. Это обусловлено сильной оптической неоднородностью p-n- перехода. Диаграмма направленности шире в плоскости, перпендикулярной плоскости p-n-перехода, чем в плоскости p-n-пере-хода, так как размер излучающей поверхности в плоскости р-п-перехода больше.

Для уменьшения расходимости излучения инжекционные лазеры делают с коллимирующей оптикой. Расходимость излучения также может быть уменьшена при использовании резонаторов с внешними зеркалами или вывода излучения через боковую поверхность активного волновода, что характерно для лазеров с распределенной обратной связью.

Поляризация излучения лазеров определяется степенью поляризационной селективности резонатора. При использовании лазеров с ярко выраженными полноводными свойствами активной области наблюдается плоскополяризованное излучение по главным плоскостям волновода. Направление плоскости поляризации регу-

176

лируют с помощью одноосного давления, которое вызывает двухлучепреломление кристалла. Спектры ортогональных поляризаций отличаются друг от друга из-за разных фазовых скоростей обеих волн. Деполяризующее рассеяние на оптических неоднородностях нередко приводит к синхронизации частот ортогональных поляризаций и генерации плоскополяризованного излучения с плоскостью поляризации, не совпадающей с главными плоскостями волновода.

Стабильность характеристик лазеров зависит от стабиль-

ности температурного режима при генерации. Нестабильность температурного режима вызывается нестабильностью тока накачки. Причиной нестационарности является неоднородность накачки активного элемента. Неоднородность усиления активного элемента приводит к нестационарным колебательным процессам вследствие нелинейных явлений неоднородного пространственного насыщения активной среды и нелинейных потерь за счет температурной неравномерности нагрева и многофотонного поглощения.

Вольт-амперная характеристика описывает обычный диф-

фузионный ток в гомопереходе. В гетеропереходе диффузионный ток определяется главным образом инжекцией из широкозонного в узкозонный полупроводник. Этот диффузионный ток, инжектированный в активную область, поддерживает излучательную рекомбинацию, необходимую для вынужденного излучения. Уравнение, определяющее величину диффузионного тока, имеет вид.

Ln — длина диффузии электронов, s — площадь поперечного сечения торца полупроводникового элемента.

Добротность резонатора. Одной из самых основных характеристик резонатора является его добротность. Здесь потери энергии в резонаторе делятся на потери за счет связи с нагрузкой и потери, обусловленные неидеальностью резонатора. Добротность, учитывающая потери на зеркалах и дифракционные потери, определяется по формуле:

177

где R — коэффициент отражения от зеркал, L — длина резонатора, D — размер торца полупроводникового элемента.

Зная добротность резонатора, можно определить ширину резонансной кривой

где n0 — резонансная частота.

Как уже отмечалось, ширина спектральной линии среды больше ширины резонансных линий. При наличии в резонаторе активной среды происходит компенсация потерь, что эквивалентно увеличению добротности и уменьшению ширины резонансной кривой Δν p до величины dn. В случае генерации одной моды с

частотой n0 ширина линии лазерного излучения может быть опре-

P

где Р — излучаемая мощность.

Теоретическое значение ширины излучения оказывается чрезвычайно малым. Однако в реальных условиях из-за акустических воздействий и колебаний температуры наблюдается нестабильность размеров резонатора, приводящая к нестабильности собственных частот резонатора и, следовательно, частот линий лазерного излучения, содержащего несколько линий излучения. Таким образом, можно ввести параметр монохроматичности (М)

Мощность излучения. Неосновные носители тока, инжектированные через p-n-переход, могут рекомбинировать как излучательным, так и безизлучательным способом. Рекомбинационное излучение может взаимодействовать с валентными электронами и

178

поглощаться ими или взаимодействовать с электронами зоны проводимости и вызывать испускание идентичного фотона. Когда концентрация инжектированных носителей становится достаточно высокой, уровень вынужденного излучения может превысить уровень поглощения, в результате чего возникает оптическое усиление. Для возникновения генерации необходима положительная обратная связь. Эта обратная связь создается обычно за счет пары сколотых граней, перпендикулярных оси волновода. Генерация возникает тогда, когда усиление за один проход излучения между такими полученными сколом зеркалами сравнивается с суммой всех потерь на том же пути. Внутренние потери α обычно обусловлены поглощением на свободных носителях и рассеянием на оптических неоднородностях. Поскольку полезный выход излучения во внешнюю среду может быть сосредоточен на концах резонатора или распределен по его длине, следует рассматривать разные варианты выполнения резонатора. Если выходной поток направлен вдоль оси резонатора, то в простейшем случае резонатора

Фабри-Перо применима функция выхода

f (a, L) = [1 - 2a L / ln r1r2 )]−1.

При выводе этой формулы допущено, что коэффициент усиления постоянен по длине резонатора L. При этом мощность, снимаемая с элемента длины, изменяется вдоль оси резонатора. Мощность излучения лазера Р можно представить в следующем виде:

Особенности инжекционных лазеров. Микроминиатюрность

Lmin=10 мкм, S = 1 мкм2, V = 10–12 cм3; усиление полупроводника (g = 103–10 4 1/ом). Компактность, обусловленная гигантским коэф-

фициентом усиления в полупроводниках. Высокий КПД обусловлен высокой эффективностью преобразования подводимой энергии в лазерное излучение при накачке достаточно совершенных полупроводниковых монокристаллов электрическим током. Удобство управления. Низкие напряжения и токи, совместимые с интегральными микросхемами. Модулирование источником питания.

179

Скорость переключения в пикосекундном диапазоне. Возможность генерации требуемой спектральной линии, возможность создания одномодового режима. Использование твердотельной микроэлектронной групповой технологии, отсюда высокая воспроизводимость параметров. Пригодность для массового производства, долговечность. Совместимость с основным элементом микроэлектроники — транзистором — это позволяет создание интегрированных лазерных излучателей, широкий диапазон длин волн генерации практически в любой точке спектрального интервала от 0,3 до 30 мкм, простота конструкции.

Недостатки полупроводниковых лазеров: малые размеры приводят к низким значениям выходной мощности или энергии. Невысокая когерентность, значительная ширина спектральной линии, большая расходимость, временная деградация, малая Рвых, где P — выходная мощность лазерного излучения.

Полупроводниковые лазеры, как и все приборы полупроводниковой электроники, чувствительны к перегрузкам (разрушаются при потоках оптического излучения в несколько мегаватт на квадратный сантиметр) и к перегреву, приводящему к резкому повышению порога самовозбуждения и даже к необратимому разрушению при нагреве свыше некоторой характерной для каждого типа

лазера температуры.

Лазеры с оптической накачкой. Метод оптической накачки применим к прямозонным полупроводникам, если полупроводники возбуждаются излучением с энергией фотонов, превышающей ширину запрещенной зоны. Условия возникновения генерации аналогичны при различных методах накачки, однако при оптической накачке поглощение излучения накачки происходит на очень небольшой глубине от поверхности полупроводников. Это приводит к тому, что характеристики лазеров становятся чувствительны к свойствам поверхности полупроводников.

Глубину проникновения фотонов и объем активной среды можно увеличить, используя двухфотонное поглощение; излучение накачки. При двухфотонном возбуждении электронно-дыроч- ные пары образуются за счёт нелинейного поглощения фотонов с энергией Hω < WЗ . Это позволяет получать большой объем активной среды, реализовать возможность создания распределенной

180

обратной связи за счет пространственной модуляции излучения накачки.

Использование оптической накачки не дает существенных преимуществ перед другими способами накачки. Вместе с тем теряются такие преимущества полупроводниковых лазеров, как простота конструкции, высокий КПД, миниатюрность. Поэтому лазеры с оптической накачкой применяют лишь в случаях, когда использование других методов накачки менее целесообразно.

7.4 Жидкостные оптические квантовые генераторы

Основное преимущество жидкостных квантовых генераторов (ЖКГ) — возможность перестройки частоты генерации в широком диапазоне длин волн. Кроме этого, охлаждение лазерной среды, осуществляемое при ее циркуляции, позволяет получать высокие выходные мощности. Потери излучения из-за неоднородности и дефектов оптической среды, характерные для твердотельных лазеров, в жидкостных активных элементах или отсутствуют, или происходит самовосстановление оптической однородности в случае ее нарушения.

ЖКГ характеризуются использованием в качестве активного вещества жидких сред — растворов неорганических соединений редкоземельных элементов (преимущественно неодима) или растворов органических красителей. В связи с этим различают ЖКГ на основе жидких неорганических сред и ЖКГ на основе органических красителей. Эти лазеры имеют ряд достоинств, делающих их весьма перспективными для некоторых областей применения.

Во-первых, в жидкостных лазерах можно обеспечить примерно такую же концентрацию активных частиц, как и в активных элементах твердотельных лазеров, что позволяет получить высокий энергосъем с единицы объема активной среды. Во-вторых, в ЖКГ в силу высокой однородности активной среды отсутствуют потери излучения, имеющие место в твердотельных лазерах из-за неоднородности и дефектов структуры активных элементов. В- третьих, охлаждение активной среды достаточно просто осуществляется за счет прокачки ее через кювету, что позволяет при импульсном режиме работы полностью обновить рабочий объем жидкости, участвующий в генерации, в интервале между после-