Лекции по гетеропереходам / курс лекций физика и технология полупроводниковых наноструктур / 14_Мощные лазеры

Однако при увеличении L происходит снижение внешней дифференциальной эффективности, т.е. снижается КПД, а значит выделяемая тепловая мощность возрастает. Поэтому, разогрев активной области не может быть полностью преодолен.

При достаточно больших длинах резонатора и выходных мощностях, выражение для температуры активной области может быть упрощено:

Отметим, что существенным для мощного лазера являются низкие внутренние потери αin , т.к. при этом достаточно высокая внешняя дифференциальная эффективность может быть достигнута даже в длинных полосках.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 14, стр. 11

При увеличении температуры наблюдается увеличение порогового тока и снижению дифференциальной эффективности инжекционного лазера.

В области достаточно высоких температур зависимость пороговой плотности тока и дифференциальной эффективности от температуры обычно выражается экспоненциальными функциями с соответствующими коэффициентами

температурное изменение соответствующего параметра выражено более слабо)

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 14, стр. 12

Пример зависимости пороговой плотности тока от температуры.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 14, стр. 13

Таким образом, уравнение для температуры активной области должно быть решено самосогласованно, т.к. приборные характеристики лазера сами зависят от температуры. Каждой точке ватт-амперной характеристики лазера в непрерывном режиме соответствует определенная температура активной области и, соответственно, свои виртуальные дифференциальная эффективность и пороговый ток.

∆T = Rth [(Pout η(∆T )+ Ith (∆T ))2 Rs +(Pout η(∆T )+ Ith (∆T ))V0 −Pout

Семейство нелинейных кривых на графике соответствует правой части уравнения при различных уровнях выходной мощности. Точки пересечения этих кривых с прямой линией (левая часть уравнения) дают решения уравнения – величину возрастания температуры активной области лазера – для различных уровней выходной мощности.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 14, стр. 14

Пример графического решения уравнения для определения температуры саморазогрева лазерного диода

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 14, стр. 15

Когда выходная мощность увеличивается, точки пересечения сдвигаются в сторону больших температур, что означает увеличение разогрева диода при возрастании выходной мощности. При некоторой мощности (7 Вт для рисунка) эти две кривые имеют точку касания. Это соответствует максимальному уровню выходной мощности, который может быть достигнут при данном наборе параметров: при большей мощности пересечение кривых отсутствует (например, 8 Вт на рисунке).

Учет тепловых эффектов приводит к сильному уменьшению выходной мощности по сравнению со случаем отсутствия саморазогрева. При увеличении тока выходная мощность насыщается, достигая своего максимального значения, после чего убывает. Подобное поведение известно как “тепловой загиб” (thermal rollover) ватт-амперной характеристики.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 14, стр. 16

Тепловой загиб полностью отсутствовал бы, если бы пороговый ток и дифференциальная эффективность не зависели от температуры. В этом случае ватт-амперная характеристика не претерпевала бы изменений даже при больших значениях тока накачки, и выходная мощность могла бы расти далее.

Следовательно, для мощного лазера важным является достижение высоких значений характеристических температур T0 и T1.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 14, стр. 18

Катастрофическое разрушение зеркал

Катастрофическое оптическое разрушение зеркал (COMD, catastrophic optical mirror damage) также является одним из доминирующих механизмов ограничения выходной мощности инжекционного лазера. Необратимое разрушение зеркала лазерного резонатора при высоком уровне выходной мощности проявляется как резкое внезапное падение выходной мощности лазера при увеличении тока накачки.

А.Е.Жуков, Физика и технология полупроводниковых наноструктур, гл. 14, стр. 20