3 Предельная мощность полупроводниковых

лазерных диодов

Мощность лазерных диодов не может быть увеличена больше некоторого предела, она ограничена нелинейными оптическими явлениями.

В полупроводниках наряду с индуцированными переходами элект­ронов из зоны в зону возможно и индуцированное поглощение элект­ромагнитной энергии. При поглощении одного кванта энергии электрон переходит с верхнего края валентной зоны на нижний край зоне проводимости,

Если ширина зона проводимости больше ширины запрещенной зоны и, следовательно, разность энергий верхних краёв зон больше энергии двух квантов , то возможно так называемое двухфотонное поглощение. Это означает, что переход электрона из

Нижней зоны в верхнюю происходит за счет поглощения сразу двух фотонов.

Двухфотонное поглощение является нелинейным эффектом. Это следует, например, из того, что возбужденный таким образом электрон способен при обратном переходе в валентную зону излучить квант . При этом вместо двух квантов частоты получается один квант частоты , но преобразование частоты является нелинейным явлением.

Электрон, возбужденный при двухфотонном поглощении, пере­ходит без излучения электромагнитной энергии с верхнего края зоны проводимости на нижний, а после этого уже с излучением одного кванта энергии переходит в валентную зону, из этого следует, что каждый акт двухфотонного поглощения сопровождается потерей одного кванта энергии .

Интенсивность двухфотонного поглощения растет о увеличением мощности лазерного излучения, поэтому наступает такой момент, когда потери энергии сравниваются с

прибылью энергии за счет индуцированного излучения. Расчёты показали, что предельная мощность излучения с одного квадратного сантиметра в полупро­водниковом лазере по порядку величины равна 10⁹ вт/см².

Наряду с двухфотонными процессами возможны процессы, когда при одном переходе поглощается или испускается несколько кван­тов. Такие процессы называются многофотонными.

4 Спектральные свойства излучения лазера на основе GаAs

Спектральные характеристики лазерного диода на основе GaAs изображены на рис. 7

Рис. 7. Спектр сигнала на выходе ОКГ на основе GaAs при Т=77°К:

1- при токе ниже порогового значения; 2- при токе выше порогового значения

Как видно, когда величина тока превосходит пороговое значение, ширина спектра излучения резко уменьшается(более чем в 100 раз). Из спектрограмм сигнала, полученных при различных значениях протекающего тока, следует, что при величине тока, меньше порогового значения, ширина спектра довольно велика, при величине тока, незначительно превышающей пороговое значение, на выходе прибора наблюдается только одна спектральная линия, ширина которой приблизительно равна 0,5 Å. Наконец, если величина тока значительно превосходит пороговое значение, на выходе наб­людается много спектральных линий, соответствующих различным типам колебаний резонатора Фабри – Перо. Расстояние между соседними модами приблизительно равно 1 Å, что соответствует результатам, вычисленным по формуле:

, (23)

где =8400 Å; L – длина интерферометра (1мм); n-показатель преломления(3,6).

Спектр излучения зависит так же от температуры активного вещества. Это связано, во-первых, с зависимостью показателя преломления от температуры, что приводит к изменению резонансных мод резонатора. Температурная зависимость мод определяется

выражением:

, (24)

где - энергия фотонов, соответствующая частоте m-го типа колебаний;

- показатель преломления при Т=0°К;

; .

Согласно формулы

, (25)

где β = -1,21. 10⁶ эв/°К^2.

Выражение (24) можно переписать в виде:

, (26)

Для лазеров на основе GaAs изменение частоты от температуры подчиняется зависимости:

, (27)

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

Во-вторых, 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 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 продолжаться до тех пор, пока усиление на данной моде будет превосходить потери. Когда из-за сдвига запрещенной зоны это условие нарушается, медленное изме­нение частоты должно превратиться в скачкообразное. Излучение будет продолжаться на другой моде, характеризующейся превышением усиления над потерями при измененной запрещенной зоне. Из усло­вия частотного интервала между модами можно найти:

, (28)

где L – длина резонатора.

Используя уравнение (25), искомое увеличение температуры можно определить из уравнения:

, ºК, (29)

Например, при 20 ºК и L=0,3 мм =7 ºК. При меньших изменениях температуры скачка мод происходить не будет, но частота выходного сигнала будет изменяться в соответствии с уравнением (27).