Зона ищчет з Активный слой I В

-ад -20 О 20 Ю Уго/?Э,...° *

-40 -20 О 20 Ю голв,..."

Рис. 3.21. Сечение светового пучка в дальней зоне (а) и диаграмма направленности {б, в)

распределения, увеличенную микроскопом, можно наблюдать с помощью телевизионной трубки видикон и т. п. Второй тип конфигурации (рис. 3.21) отражает характер направленности светового пучка.

В полупроводниковом лазере между толщиной волновода d, его шириной W и длиной волны X существует обычно следующее соотношение: d<k<w. Поскольку световой поток, излучаемый волноводом, вследствие дифракции расширяется тем больше, чем уже торец волновода, то угол излучения 6± в вертикальной плоскости будет больше угла излучения бц в горизонтальной плоскости. Обычно 6 =»15°, а 6х»30°. По сравнению с аналогичными параметрами газового лазера [см. формулу (3.10)] эти значения очень велики.

Кроме того, сечение светового потока имеет круглую форму, поэтому его трудно эффективно сфокусировать на входе в оптическое волоконо, а также создать параллельный световой пучок, к тому же возникает неравномерность распределения мощности и фазы в плоскости сечения, наблюдается явление астигматизма. На практике для параллельности светового пучка используются системы самофокусировки, стержневые линзы, объективы микроскопов и др.

Модуляционные характеристики. В полупроводниковом лазере путем изменения инжектируемого тока можно управлять мощностью (интенсивностью) и частотой излучаемых колебаний. В отличие от газовых лазеров здесь модулируется непосредственно плотность носителей в лазерной среде, поэтому возможна модуляция с более высокой скоростью.

Один из примеров модуляции интенсивности приведен на )ис. 3.22. Здесь можно заметить резонансный пик на частоте г, обусловленный релаксационными колебаниями, которые, в свою очередь, вызваны временной задержкой около 3 не от

« W 1(f to° Частота модуляции, Гц

Ю"

Рис. 3.22. Характеристика прямой модуляции интенсивности

Температурный Эффект

Эффект носителей

-1 I 1

/О"

/0°

Частота модуляции, Гц

10 fj. 10

Рис. 3.23. Характеристика прямой частотной модуляции

момента инжектирования носителей в активный слой до излучения ими фотона (см. величину Xs в формуле (3.9)], а также временной задержкой около 1 не от излучения фотона внутри резонатора до выхода его из резонатора, определяемой коэффициентом отражения торцевой поверхности резонатора (эта задержка соответствует времени жизни фотона тр).

Таким образом, полупроводниковый лазер характеризуется резонансным пиком, который обусловлен двумя временными задержками.

Для частоты fr имеется следующая формула:

(3.15)

2л V TsTp

где I и Ith - постоянный ток смещения и пороговый ток колебаний; если I/Ith = 2, то /г=3 ГГц.

На рис. 3.23 приведен пример частотно-модуляционной характеристики. Она формируется как результат повышения температуры лазера, сопутствующего модуляции инжекционным током, релаксационных колебаний и изменений коэффициента преломления.

Частота генерации определяется частотой продольных мод резонатора Фабри-Перо в соответствии с формулой (3.3). Если предположить, что генерируется единственная продольная мода, то на основе формулы (3.3) изменение частоты выражается следующим образом:

Av = -V [(А/п) AN, (/) -f (ar + r) (/)]. (3.16)

В первом члене в квадратных скобках от тока / зависит только плотность носителей АЛс, вследствие чего изменяется коэффициент преломления п резонатора и соответственно этому частота продольной моды. Здесь А - коэффициент пропорциональности.

Таблица 3.1. Значения коэффициентов в формуле (3.16)

Второй член в квадратных скобках отражает следующее: 1) от протекания тока / повышается температура и увеличивается длина Lz резонатора (при этом коэффициент пропорциональности aT = dLzJdT соответствует коэффициенту теплового линейного расширения лазерной среды); 2) благодаря увеличению коэффициента преломления, при коэффициентах пропорциональности т = дп/дТ изменяется частота продольной моды.

При частоте тока модуляции /<10 МГц численное значение второго члена примерно в 10 раз больше первого, поэтому преобладает температурный эффект. Однако при частоте />10МГц изменение электрического тока не сопровождается повышением температуры лазера, т. е. температурный эффект ослабевает и преобладает эффект носителей. Последний выражается в резонансном пике» обусловленном релаксационными колебаниями и подобном пику в модуляционной характеристике интенсивности.

Наряду с температурным эффектом и эффектом носителей частотная характеристика лазера имеет фазовый сдвиг относительно модулирующего тока.

В табл. 3.1 приведены значения коэффициентов в формуле (3.16) для лазеров системы AlGaAs и InGaAsP.

Температурные характеристики. Характеристики световых колебаний полупроводникового лазера весьма чувствительны к температуре: с повышением температуры увеличивается значение порогового тока Ith, уменьшается дифференциальный квантовый выход. Зависимость Ith от температуры выражается следующей формулой:

(П)ехр[(Т-Т,)/Т„], (3.17)

где Ith{Ts) - пороговый ток при стандартной температуре Ts\ То - постоянная, присущая материалу и называемая характеристической температурой.

Для материалов системы AlGaAs эта температура равна 120 ... 150 К, а системы InGaAsP - 50 ... 70 К. По мере увеличения Го температурная зависимость порогового тока ослабевает. Причины малого значения Го для материалов второй из упомянутых систем: рекомбинация Оже, межзонное поглоще-

Итекционныа ток, «Д

Рис. 3.24. Температурная зависимость для кривой 1-L (длина волны 1,3 мкм, излучение непрерывное)

ние, фотоэлектронный эффект, «просачивание» через гетеробарьер и т. д.

Кривые, приведенные на рис. 3.24, позволяют судить о температурной зависимости порогового тока и дифференциального квантового выхода. Из рисунка видно, что даже при неизменном токе инжекции колебания температуры влияют на мощность излучения.

В лазере с квантовой ямой (guantum well laser), сформированной в активном слое толщиной 10...20 нм, с расположением энергетических зон, отличным от обычного лазера с двухслойным гетеропереходом, температура Го велика, примерно 200 К.

В зависимости от температуры изменяется не только мощность излучения, но и резонансная частота. Как уже упоминалось в предыдущей рубрике, это обусловлено увеличением с температурой длины Lj резонатора и коэффициента преломления п, а следовательно, изменением частоты продольной моды. Это изменение, если воспользоваться символами формулы (3.16), выражается как -v(ar+Pr) (T-Ts).

Ниже отражена зависимость частоты и длины волны излучения лазера от постоянного электрического тока и окружающей температуры:

дМд!, нм/мА . д\/д1, ГГц/мА дк/дТ, нм/К . д\/дТ, ГГц/К

AlGaAs-лазер (0.8 мкм)

-fo.ooe

-2,8 -fO.06

InGaAsP-лазер (1,5 мкм)

+0,008 -1,1

+0,08 -11

Допустимые пульсации электрического напряжения, долговечность. Полупроводниковый лазер выдерживает пульсации электрического напряжения примерно до 500 В. Что же касается долговечности, то совершенствуются теплоотводы, технология металлизации, выращивания кристаллов, исследуются различные факторы ухудшения параметров (например, темные линии и пятна, возникающие в активном слое, и т. д.). В настоящее время практически достигнута долговечность лазера 10 ч (примерно 100 лет).

При использовании лазера в качестве источника света для датчика, особенно для когерентного датчика, скорее всего, более важна так называемая спектральная долговечность. При

непрерывной работе полупроводникового лазера даже в условиях стабильной температуры и пониженного тока инжекции происходит медленный сдвиг частоты генерации, равный +26 МГц/ч. Кроме того, изменяются предельные значения электрического тока, при которых генерируются те или иные продольные моды. Случается, что генерируемая до сих пор какая-либо продольная мода внезапно уменьшается и даже пропадает. Причиной этого явления считаются временные изменения теплового сопротивления, обусловленные окислением металлизированных слоев, тепловые эффекты из-за неотраженной рекомбинации носителей на торцевой поверхности резонатора. Важно количественно оценить это явление и принять соответствующие предупредительные Уеры уже на стадии проектирования лазера. В подобных случаях принимаются определенные ограничения на продолжительность генерации продольной моды, предназначенной для использования. Отсюда и понятие спектральной долговечности.

3.5.4. Шумы, когерентность и управление ими. Как уже отмечалось в п. 3.5.1, размеры резонатора у полупроводниковых лазеров меньше, чем у газовых, и, следовательно, значение добротности Q невелико. Поэтому на излучаемый лазером свет большое влияние оказывают флюктуации спонтанного излучения. Они вызывают флюктуации интенсивности света (модуляционные шумы интенсивности) и флюктуации частоты (шумы частотной модуляции).

Помимо указанных имеется много других факторов, увеличивающих уровень шумов, и для повышения чувствительности датчиков необходимо ограничить также и эти шумы. С этой целью, как будет описано ниже, в зависимости от характера шумов можно использовать те или иные способы их подавления.

Модуляционные шумы интенсивности. Ниже, в пп. 1-3, рассматриваются прежде всего случаи с генерацией одной продольной моды.

1. Шумы, обусловленные спонтанным излучением. Флюктуа-циями мощности спонтанного излучения определяются границы шумов. На рис. 3.25 приведена спектральная плотность мощности модуляционных шумов интенсивности для частотных гармоник выше 1 МГц. Множество этих значений можно разделить на две составляющие. Одна из них обусловлена флюктуациями коэффициента усиления колебаний из-за флюктуации спонтанного излучения. Эта составляющая присутствует во всех без исключения полупроводниковых лазерах, поэтому их характеристика спектральной плотности напоминает характеристику низкочастотного фильтра. Частота среза характеристики определяется как

2лт„

(3.18)

10 Ю 10 10 ?о" Частота гармонии, Гц

Рис. 3.25. Спектральная плотность мощности модуляционных щумов интенсивности

Для полупроводниковых лазеров частота среза лежит в пределах от нескольких гигагерц до 100 ГГц.

Другая составляющая проявляется в резонансном пике на гармонике, равной частоте fr релаксационных колебаний, в свою очередь, обусловленных флюктуациями спонтанного излучения.

На гармониках ниже 1 МГц носители под воздействием спонтанного излучения возбуждаются и переходят в зону проводимости, что вызывает флюктуации плотности носителей, а следовательно, колебания тока и собственной теплопроводности, далее колебания температуры приводят к дрейфу световой мощности.

2. Шумы, обусловленные изменением температуры и тока. На практике к вышеупомянутым шумам добавляются шумы, обусловленные сторонними для излучающего вещества факторами и повышающие общий уровень шумов. На гармониках до 10 МГц особенно существенны колебания порогового значения тока и дифференциального квантового выхода, в свою очередь, обусловленные в основном колебаниями окружающей температуры. В результате наблюдается температурный дрейф мощности примерно -50 мкВт/К.

Кроме того, шумы тока инжекции влияют на уровень смещения, в связи с чем наблюдаемые колебания мощности достигают 1 • 10-*. Поскольку эти факторы при использовании лазеров в датчиках вызывают дрейф характеристик датчика, то необходимо обеспечить регулировку окружающей температуры либо автоматическую регулировку мощности излучения с помощью внешних схем.

При проектировании лазера желательно предусмотреть монолитное с ним выполнение схемы автоматической регулировки мощности. Первый шаг в этом направлении - изучение возможности создания на одной подложке лазера и фотодиода, предназначенного для слежения за световой мощностью. Предполагается, что введением подобной схемы можно снизить колебания мощности до 1 • 10-.

3. Шумы, обусловленные обратным светом. Если, как показано на рис. 3.26, свет, излучаемый полупроводниковым лазером, отражается от внешнего зеркала, торца оптического волокна и других препятствий, а затем возвращается в лазер с произвольной фазой, то этот отраженный свет изменяет условия генерации лазера и значительно увеличивает уровень моду-