50 Ъ 00

Ишекционный токмА

Рис. 3.16. Зависимость световой мощности от иижекцион-иого тока

822 S24 826 828 Длина волны, нм

Рис. 3.17. Спектр многомодовых продольных колебаний полупроводникового лазера

По мере увеличения тока инжекции и по достижении потерями значения ац начинается генерация лазерных колебаний. Необходимое для генерации значение инжекционного тока называется пороговым током Ith. Отношение hh к площади wL поверхности активного слоя называется пороговой плотностью тока Jth. Обычно для GaAs-лазеров пороговая плотность тока составляет I ... 2 кА/см. На рис. 3.16 представлена зависимость выходной мощности излучения от инжекционного тока (так называемая кривая /-L).

Если принять я = 3,5, Ял,=0,85 мкм, 1 = 300 мкм, то по формуле (3.4) интервалы между соседними продольными модами можно выразить как АЯл, = 0,34 им, AvAf== 140 ГГц. Поскольку, как показано на рис. 3.7, спектр усиления Avo получается примерно в 100 раз более широким, в пределах этого спектра укладывается около 100 продольных мод, причем между усилением соседних мод почти нет разницы и, естественно, многие продольные моды генерируются одновременно. Общая картина такой генерации представлена на рис. 3.17.

3.5.2. Управление модами. Управление поперечными модами. Что касается продольных мод излучения, то обычно они генерируются в большом количестве (см. рис. 3.17). Но кроме них генерируются и разнообразные поперечные моды, при этом на кривой I-L (рис. 3.16) возникает излом. Из-за генерации поперечных мод увеличивается значение порогового тока, возникает нестабильность направления излучения, ухудшается моду-

ляционная характеристика, поэтому желательно, если и допускать генерацию поперечных мод, то лишь одной моды -самого низкого порядка.

Этого можно достичь с помощью особых конструктивных решений, например, как и при создании одномодовых световых волокон, уменьшить размеры поперечного сечения волиоводного резонатора. Средства подавления такой генерации называются техникой регулировки поперечных мод.

В соответствии с теорией волновода, если при коэффициентах преломления п активного слоя и Лг окружающих его слоев их относительная разница А= («1-rt2)/«i=0,08, то для возбуждения одной поперечной моды должно выполняться условие d<0,45 мкм и да<0,45 мкм. Обычно лазер проектируется так, что d=0,1...0,2 мкм, условие же да<0,45 мкм труднодостижимо для современной технологии, и этот размер обычно превышает 2 мкм.

Для того чтобы не допустить возбуждения более одной поперечной моды даже при подобных обстоятельствах, разработан так называемый рефракционный волновод. Формируется волновод с разницей коэффициентов преломления также и вдоль оси X (см. рис. 3.15). Благодаря сильному волноводному эффекту в лазере генерируется* поперечная мода только самого низкого порядка. На практике, как правило, используются лазеры такого типа. Структуры лазеров с рефракционными волноводами приведены на рис. 3.18. Укрупнеино эти структуры можно разбить на три.

Р

Активный та

Диффузионный ,слой. Zn

p-AlGaAs

Актибный ~

слой

Рис 3 18. Структуры лазеров с рефракционными волноводами; а -скрытая гетероструктура (ВН); б -с терассироваииой подложкой (TS); в - плоская с канализироваииой подложкой (CSP); г -с поперечным переходом (TJS) Штриховым контуром показано сечение светового луча

Рис. 3.19. Спектр колебаний продольной моды лазера с рефракционным волноводом

Длина

Щ5 1,Ш Волны, мкм

1. Скрытая гетероструктура (ВН -Buried Heterostructure). Боковые стенки предварительно полученной путем кристаллизации двухслойной гетероструктуры подрезаются методом травления, т. е. получается мезаструктура. Затем путем повторной кристаллизации поверхности этих стенок выравниваются.

2. С выборочным выращиванием. Зауженный волновод активного слоя образуется путем выращивания кристалла двухслойной гетероструктуры на подложке, на которой предварительно создается канавка. Одним из образцов такого лазера является плоскостной лазер с канализированной подложкой (CSP-Channeled Substrate Planer)..

3. С разностью концентрации примесей. Необходимая разность коэффициентов преломления создается за счет разности концентрации примесей. Полосковая структура с поперечным переходом (TJS - Transverse Junction Stripe) является одним из примеров приборов такого типа. В отличие от выщеописан-ных структур с рефракционным волноводом здесь, благодаря полосковым электродам щириной несколько микрон,ток протекает только в ограниченной вдоль оси д: (см. рис. 3.15) области и лазерные колебания усиливаются в зауженной части, поэтому подобная структура называется лазером с усиленным волноводом. При этом не происходит достаточного подавления поперечных мод и обычно генерируется множество продольных мод. Кроме того, усиление генерации неравномерно в пространстве. Один из реальных видов излучения продольных мод такой с(труктурой приведен на рис. 3.17.

Напротив, в ранее описанных структурах с рефракционным волноводом подавление поперечных мод является достаточным и в большинстве случаев продольная волна носит одномодовый характер (рис. 3.19). Однако поскольку между усилением генерируемых и негенерируемых колебаний с продольной модой почти нет разницы, то под влиянием температуры и инжекционного тока возможны резкие переходы колебаний с одной моды на другие -так называемые перескоки моды. При модуляции с резким изменением инжекционного тока генерация будет подобна генерации множества продольных мод.

Электрод

p-InGaAsP p-InP

InGQAsP(amuffwu слои) -InGaAsP п-Ы(подложка)

Электрод

Электрод

р-1аР Ыак$?(актиВнь/йслой)

{пассидвьй&олтвод)

т\-1пР{по9ложка) Электрод

Рис 3 20. Структура лазера с управлением продольными модами: а -с распределенной обратной связью (DFB); б -с распределенным брэгговским

рефлектором (DBR)

Управление продольными модами. В лазере с рефракционным волноводом при непрерывном излучении достаточно легко получить одномодовую продольную волну, а при очень быстрой модуляции происходит перескок моды и возникает многомодовое излучение. Для предотвращения этого явления используется так называемая техника управления продольными модами, которая позволяет даже в динамических условиях работы, например при скоростной модуляции, генерировать одномрдовую продольную волну.

Для этогожелательно создать резонатор, который в отличие от резонатора Фабри-Перо обладал бы малыми потерями только для определенной продольной моды. Другими словами, чтобы только для определенной моды увеличивался коэффициент отражения краевой поверхности резонатора и повышалась добротность резонатора. Типичным примером такого подхода может служить создание вблизи волновода дифракционной решетки, как это показано на рис. 3.20.

И раньше было известно множество примеров селекции длины генерируемой волны путем замены на дифракционную решетку одного иЗ двух зеркал резонатора в газовом лазере или в лазере на красителях. Разрешающая • способность при этом около 0,1 нм, что при интервале между продольными

модами в полупроводниковом лазере 0,3...0,5 нм вполне достаточно для их разделения и, следовательно, для практического применения лазера.

1. Структура с распределенной обратной связью (DFB - Distributed Feedback). На волноводе создается дифракционная решетка, причем длина волны, для которой коэффициент отражения будет максимальным,

1 = кв±К. (3.14)

Здесь Яв = 2/гЛ/т -длина волны Брэгга; Л -период дифракционной решетки; т - целое число, отражающее степень дифракции. Значение бЯ, определяется глубиной канавки дифракционной решетки, длиной резонатора Lz и т. д.

Поскольку согласно формуле (3.14) могут существовать две волны с максимальным коэффициентом отражения, т. е. до и после волны Брэгга, и в результате есть опасность их одновременной генерации, в современных лазерах предприняты попытки для генерации моды только с одной стороны (до или после) путем смещения периода дифракционной решетки на одну четверть и разрушения тем самым симметрии решетки относительно этих волн.

2. Структура с распределенным брэгговским рефлектором (DBR -Distributed Bragg Reflector). Путем формирования дифракционной решетки с одной стороны или с обеих сторон активного слоя ему придаются избирательные свойства. Если для решетки использовать тот же материал, что и для активного слоя, то получится как бы множество резонаторов и поглощение, а следовательно, и потери будут большими. Поэтому формируют решетку из отличного от активного слоя материала, и такая структура называется структурой с распределенным брэгговским рефлектором. При создании дифракционной решетки требуется точность обработки, сопоставимая с точностью формирования активного слоя, но зато для полученной таким образом структуры в отличие от описанной в п. 1 генерация единственной продольной моды -обычное явление.

Лазеры с этой структурой не имеют перескока моды даже при высокоскоростной модуляции и генерируют только одну продольную моду, что делает их удобными в качестве источников света для оптических волокон. При использовании материалов системы InGaAsP получаются структуры с длиной волны излучения 1,3... 1,6 мкм.

Что касается структур на GaAlAs с длиной волны около 0,8 мкм, то для них требуется дифракционная решетка с уменьшенным по сравнению с предыдущей периодом Л. Кроме того, вследствие большой скорости окисления поверхности GaAlAs создание дифракционной решетки вообще затруднительно, поэтому за исключением начальных исследований почти не было

попыток в этом направлении. Однако в последнее время повышается потребность в лазерах с одномодовым излучением в видимом световом диапазоне, предназначенных для когерентных оптических измерений и датчиков когерентного света. Поэтому снова предпринимаются усилия по созданию таких лазеров.

3.5.3. Характеристики излучения. Мощность излучения и КПД. Спектр усиления, необходимого для генерации (см. рис. 3.7, а), зависит от распределения энергии инжектируемых носителей, энергетических зон примесей, от релаксации в зонах и т. д. Ширина спектра 10... 20 нм, что на рис. 3.7, а соответствует AvG = 5...10 ТГц. Данное значение достаточно велико по сравнению с частотным интервалом между продольными модами. Поэтому если не принять специальных мер по регулировке мод, то обычно генерируется множество продольных мод.

Пороговый ток генерации, как видно из формулы (3.8), зависит от потерь в резонаторе, от ширины w активного слоя и т. д. Минимальное его значение для непрерывной генерации при комнатной температуре около 2,5 мА. Для Лазеров с хорошими характеристиками, изготовленных на материалах системы AlGaAs, а также системы GaAsP, пороговый ток равен 10... 30 мА.

Выходная мощность при непрерывном излучении в условиях комнатной температуры составляет 1... 10 мВт. Однако предпринимаются шаги для дальнейшего ее повышения. В частности, в источниках света, предназначенных для датчиков и системы записи на оптических датчиках, желательно иметь мощность более 10 мВт. В настоящее время от лазеров системы AlGaAs уже добились высокой выходной мощности - примерно 200 мВт. Кроме того, создан лазер мощностью 2,6 Вт с матрицей из 40 смежных волноводов.

Отношение излучаемой мощности к мощности электрического тока, поступающего от источника питания, а именно коэффициент полезного действия, упомянутый в п. 3.4.2, обычно около 10 %. Это соизмеримо с КПД типичного представителя газовых лазеров с высокой мощностью - СОг-лазера. Конечно, желательно сделать КПД еще выше. С другой стороны, отношение числа фотонов к приращению числа инжектируемых носителей определяется как дифференциальный квантовый КПД, и его значение при непрерывном излучении равно 40... 60 %. Это дает основание считать полупроводниковые лазеры высокоэффективными приборами.

Угол рассеяния светового потока. В качестве параметра, характеризующего распределение мощности в сечении светового потока, используется конфигурация поля в ближней и дальней зоне видимости. Первая характеризует распределение световой мощности на торцевой поверхности резонатора. Картину