4.2 Характеристики лазерного диода

К числу основных характеристик полупроводникового лазера, определяющих возможность использования его в системах связи и передачи информации относятся:

• мощность излучения;

• диаграмма направленности излучения;

• длина волны излучения моды; 

• спектральная ширина;

• поляризация излучения;

• быстродействие;

• срок службы.

Мощность излучения. Зависимость мощности излучения от тока накачки – это и есть ватт-амперная характеристика при различных значениях температуры (рисунок 2).

Рисунок 2 – Ватт-амперные характеристики лазерного диода при различных температурах активной области

Из рисунка 2 видно, что величина порогового тока I_пор резко возрастает с ростом температуры. Эмпирически было показано, что для большинства лазерных диодов эта зависимость подчиняется закону , где – характерная температура, зависящая от параметров того или иного лазерного диода, и значение которой является мерой качества диода. Чем больше параметр , тем в меньшей степени величина чувствительна к температуре.

Итак, для того чтобы при накачке активной области происходило экспоненциальное усиление, необходимо создать инверсную населённость в этой области и осуществить обратную положительную связь, т.е. поместить активную область в оптический резонатор. Само собой необходимо учитывать и потери в резонаторе. Так как индуцированное излучение имеет вероятностный характер, то и усиление может происходить с некоторой вероятностью. Из этих факторов получаем условие порога генерации лазера – потери в резонаторе должны быть меньше усиления лазерного излучения. Пороговой энергией генерации будем называть уровень энергии, начиная с которого, происходит генерация лазерного излучения.

Для оценки эффективности лазера используют параметр – коэффициент полезного действия (КПД). Он определяется в конкретной рабочей точке по формуле:

где – энергия лазерного излучения, – энергия накачки.

Так как на практике удобнее измерять мощность лазера, то приведем формулу (1) к следующему виду:

где – мощность лазерного излучения, – мощность накачки.

Поскольку существует пороговая энергия накачки, то для уровней энергии меньше порогового значения КПД лазерного диода будет равняться нулю, а при больших значениях энергии получим линейную зависимость ватт-амперной характеристики, смещенную на значение пороговой энергии (рисунок 3). И имеем зависимость:

Рисунок 3 – Типичная ватт-амперная характеристика лазерного диода

Коэффициент наклона прямой называется дифференциальным коэффициентом полезного действия лазера. На практике удобнее использовать следующее выражение:

где можно рассчитать, зная ток накачки и напряжение p-n перехода U:

,

.

В настоящий момент полупроводниковые лазеры являются наиболее эффективными из всех известных типов лазеров.

Если квантовой эффективностью лазерного диода считать долю электронов, которая породила фотоны, то можно оценить количество электронов, создающих ток накачки:

где – суммарный заряд, e – заряд электрона. Далее, используя мощность лазерного излучения, можно оценить количество фотонов, пришедших на измеритель мощности с энергией :

Таким образом, если количество фотонов, пришедших на измеритель мощности, поделить на количество электронов, то получим квантовую эффективность:

Диаграмма направленности. Типичная диаграмма направленности оптического излучения лазерного диода показана на рисунке 4.

Рисунок 4 – Диаграмма направленности и характер оптического излучения лазерного диода

Как видно, диаграмма излучения лазера несимметрична (рисунок 4), имеет форму эллиптического конуса. Достаточно большая угловая расходимость генерируемого излучения препятствует эффективному её вводу в волокно с малой числовой апертурой, требуя применения специальных согласующих устройств.

Длина волны излучения. Длиной волны излучения лазерного диода считается длина волны λ₀, на которой выходная мощность максимальна.

Спектральная ширина (ширина спектра излучения) Δλ – интервал длин волн, в котором спектральная мощность составляет половину максимальной. Реально полоса пропускания резонатора конечна и спектр излучения лазерного диода составлен из относительно узких линий. На рисунке 5 показана зависимость спектральной мощности Р(Δλ) от длины волны для разных ЛД. Главная отличительная черта спектра – линейчатая структура.

Рисунок 5 – Спектральная характеристика лазерного диода

(а) многомодового и (б) одномодового

Поляризация излучения. Лазерный диод обеспечивает генерацию нескольких отдельных «почти» монохроматических волн, которые можно считать частично поляризованными – ориентация векторов электромагнитного поля определяется топологической схемой лазерного диода.

Быстродействие. Скорость включения и выключения источника света должна быть достаточно высокой, чтобы соответствовать требованиям ширины рабочей полосы пропускания оптической системы. Скорость источника определяется временем нарастания и спада импульса сигнала. Лазеры имеют время нарастания  . Максимальная частота модуляции fм_max, по которой оценивается быстродействие источников излучения, у лазерных диодов достигает нескольких гигагерц.

Срок службы. Сначала лазерные диоды обладали значительно меньшей надёжностью, так как они требовали бóльших токов накачки. Затем удалось значительно повысить надёжность, и приблизить время наработки на отказ до 50 тыс. часов и более (до 8 лет).