Лекции по гетеропереходам / курс лекций физика и технология полупроводниковых наноструктур / 12_КЯ лазеры
.pdfПороговый ток в лазере на основе квантовых ям:
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
α |
+ |
ln |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
in |
|
2L |
|
|
|
|
I |
th |
=WLJ |
0 |
exp |
|
|
R1R2 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
G |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Оптимальная длина резонатора, отвечающая наименьшему пороговому току, находится из условия dIth 
dL = 0:
L |
|
1 |
|
1 |
|
|
= |
ln |
|
||||
|
|
|||||
opt |
2G0 |
|
R1R2 |
|
||
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
WJ0 ln |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
R R |
|
|
α |
|
|
||||
min |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
1 2 |
|
|
|
|
|
in |
||
Ith |
= Ith (Lopt ) = |
|
|
|
|
exp 1 |
+ |
|
|
|
|
|
2G0 |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
G0 |
||||
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 12, стр. 21
|
10 |
W=5 мкм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
R1=100%, R2=12% |
|
|
|
|
|
8 |
G |
=25 см-1 |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
a =5 см-1 |
|
|
|
|
|
|
in |
|
|
|
J =70 Асм-2 |
, мА |
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
J =60 Асм-2 |
||
ток |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
Пороговы |
|
|
|
|
|
J =50 Асм-2 |
4 |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
0 |
200 |
400 |
600 |
800 |
1000 |
|
|
|
Длина резонатора, мкм |
|
|
|
Зависимость порогового тока от длины резонатора для КЯ лазеров, обладающих различной плотностью тока прозрачности J0.
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 12, стр. 22
|
10 |
W=5 мкм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
R1=100%, R2=12% |
|
|
|
|
|
8 |
J |
=50 А/см2 |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
a =5 см-1 |
|
|
|
|
|
|
in |
|
|
|
|
, мА |
6 |
|
|
|
|
G =20см-1 |
ток |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
G =25см-1 |
|
Пороговы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
4 |
|
|
|
|
-1 |
|
|
|
|
|
|
G0=30см |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
0 |
200 |
400 |
600 |
800 |
1000 |
|
|
|
Длина резонатора, мкм |
|
|
|
Зависимость порогового тока от длины резонатора для КЯ лазеров, обладающих различным коэффициентом усиления G0.
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 12, стр. 23
Использование нескольких идентичных квантовых ям в активной области лазера позволяет увеличить коэффициент усиления, однако при этом масштабируется и плотность тока прозрачности:
GQW ≈ n |
|
|
J |
|
|
|
G ln |
|
|
|
|||
|
J |
|
||||
QW |
0 |
n |
0 |
|
||
|
|
|
QW |
|
|
|
где nQW – число квантовых ям,
G0 и J0 относятся к одиночной квантовой яме
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
1 |
|
||
|
|
|
|
|
α |
+ |
ln |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
in |
|
2L |
|
|
|
|
|
I |
th |
=WLn |
J |
0 |
exp |
|
|
R1R2 |
|
|
|||
|
n |
G |
|
||||||||||
|
QW |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
QW |
0 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 12, стр. 24
|
100 |
|
|
|
|
|
|
90 |
nQW |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
80 |
2 |
|
|
|
|
|
70 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-1 |
60 |
|
|
|
|
|
, см |
|
|
|
|
|
|
50 |
|
|
|
|
|
|
Усиление |
|
|
|
|
|
|
40 |
|
|
|
|
|
|
30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 |
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
0 |
200 |
400 |
600 |
800 |
1000 |
|
|
|
Плотность накачки, А/см2 |
|
|
|
Зависимость усиления от накачки для лазеров на основе нескольких квантовых ям.
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 12, стр. 25
|
1000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R1=100%, R2=12% |
|
|
|
||
2 |
|
|
G0=25см |
-1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
см |
800 |
|
|
2 |
|
|
|
|
/ |
|
|
J0=50 А/см |
|
|
|
|
|
, А |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
αin=5 см-1 |
|
n |
QW |
|
||
тока |
600 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
плотность |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
400 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пороговая |
200 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
200 |
400 |
600 |
|
800 |
1000 |
|
|
|
|
Длина резонатора, мкм |
|
|
|
||
Пороговая плотность тока для лазеров на основе нескольких квантовых ям.
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 12, стр. 26
|
10 |
|
|
|
|
|
|
|
W=5 мкм |
|
|
|
|
|
8 |
R1=100%, R2=12% |
|
|
|
|
|
G |
=25см-1 |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
J |
=50 А/см2 |
|
|
|
мА |
|
0 |
|
|
|
|
6 |
a =5 см-1 |
|
|
|
||
, |
in |
|
|
|
||
ток |
|
|
|
|
|
|
Пороговы |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
nQW |
|
|
|
|
2 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
0 |
200 |
400 |
600 |
800 |
1000 |
|
|
|
Длина резонатора, мкм |
|
|
|
Зависимость порогового тока от длины резонатора для лазеров с разным числом ям в активной области
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 12, стр. 27
Выводы:
1.Использование активной области на основе квантовых ям позволяет существенно улучшить характеристики лазеров по сравнению с использованием объемного материала
2.Приборные характеристики могут быть дальнейшее оптимизированы в определенных пределах с помощью применения нескольких квантовых ям.
3.Поэтому КЯ лазеры являются в настоящее время наиболее широко используемыми.
4.В то же время не удается добиться оптимизации пороговых характеристик во всем диапазоне оптических потерь.
5.Кроме того, проблемой остается принципиальная зависимость пороговых характеристик от температуры.
А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 12, стр. 28