Условие возникновения генерации в гетеропереходах

В лазерах возникновение незатухающих колебаний, т.е. генерация излучения, обусловлено многократным пропусканием в прямом и обратном направле­нии через активную область излучения, возникающее в ней. Условием для начала генерации является достижение уровня, когда усиление в активной среде за счет вынужденного излучения превышает все оптические потери.

В полупроводниковом лазере роль отражающих поверхностей выполняют две противоположные поверхности кристалла, полученные сколом.

Пусть в какой-то заданной точке активной области гетеролазера спонтанно возникает излучение с интенсивностью I₀, направленное вдоль оптической оси. После первого полного прохода по активной области, с двумя отражениями на зеркалах и возврата в эту же точку, интенсивность излучения становится рав­ной (см. также формулу (41)):

где g - коэффициент усиления;

а - коэффициент оптических потерь в активной области, связанной с

рассеянием на неоднородностях, поглощением на свободных носителях и т.п.;

L₀ - длина резонатора.

Для возникновения незатухающих колебаний необходимо чтобы после каждого полного прохода интенсивность излучения в каждой точке превышала первоначальное значение:

Или (42)

В (42) при выполнении равенства возникает лазерная генерация, и это условие называется пороговым условием.

В полупроводниковом лазере коэффициент усиления зависит как от параметров полупроводника, так и от плотности инжектированных носителей, тем­пературы и длины волны излучения.

Для представления порогового условия (42) к легко измеряемым внешним параметрам гетеролазера воспользуемся представлением коэффициента усиления на заданной частоте излучения через плотность тока накачки, полученной в работе [8]:

(43)

где - определяется как порог инверсии, т.е. значение плотности тока через гетеропереход, при котором возникает инверсная населенность в активной области (условие БКП);

- определяется через плотность тока лазера по формуле:

(44)

где - внутренняя квантовая эффективность (22);

d - толщина активной области.

В общем случае, зависимость от не является линейной и имеет вид:

(45)

Это означает, что усиление может расти с ростом тока квадратично или еще быстрее. Однако, в большинстве случаев линейное приближение вполне приемлемо. В этом случае, используя (42), (43) и (44), имеем следующее выражение для порогового условия:

- называется плотностью порогового тока после достижения, котором в активной области гетеролазера начитается генерация лазерного излучении После достижения порога генерации усиление в активной области компенсирует все оптические потери в резонаторе, в том числе излучение через зеркала.

Усиление может расти с ростом тока квадратично или еще быстрее. Однако, в большинстве случаев линейное приближение вполне приемлемо.

Дальнейший рост тока накачки приводит к увеличению выходной мощности по линейному от тока накачки закону:

где внешняя квантовая эффективность;

S – площадь поперечного сечения активной области.

Спектральный состав излучения гетеролазера определяется типами колебаний резонатора, для которых условие (42) выполняется раньше других.

На рисунке 4 представлена типичная зависимость мощности излучения от тока накачки. Значение тока I=I_пор соответствует началу генерации. Спектральный состав излучения полупроводникового гетеролазера приведен на рисунке 5. Показаны эквидистантно расположенные продольные моды лазерного резонатора.

Рисунок 4 - Зависимость мощности излучения от тока накачки

Рисунок 5 - Спектральный состав излучения полупроводникового гетеролазера