Главная  Усиленная люминесценция 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [ 18 ] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48]


Рис. 3.1. Спектры люминесценции, выходящей из зеркальных (/) и боковых грубо шлифованных (2) граней диода на основе GaAs;

( = 2,5 см; ш = 0,5 мм; ; = 560 к/си

/А6 hia&W ив ho,3U

Для проверки этого предположения были поставлены специальные опыты: измерялась мощность краевой люминесценции диода на основе GaAs, выходящей из боковых граней диода и не искаженной резонатором.

Спектр люминесценции, выходящей из зеркальных граней резонатора, при увеличении плотности тока деформируется вследствие влияния резонатора и изменения коэффициента поглощения с током. В диодах с грубо шлифованными боковыми гранями и отношением длины к ширине l/w, превышающим единицу, спектр люминесценции из боковых граней оставался по форме, как правило, практически неизменным в некотором интервале значений / вблизи и выше порога генерации.

На рис. 3.1 приведены спектры люминесценции, выходящей из зеркальных (/) и боковых (2) граней резонатора при одной и той же плотности тока, проходящего через диод. На частоте инверсии v„hb, для которой коэффициент усиления равен нулю, интенсивности люминесценции спектров / и 2 приняты одинаковыми. Спектр люминесценции, выходящей из зеркальных граней резонатора, сужен, усилена его длинноволновая часть.

Хотя форма полосы люминесценции из боковых граней диода практически не изменилась, ее мощность увеличивалась с ростом тока и после порога генерации (рис. 3.2), что означает увеличение значения функции /(/) (см. формулу (2.17)) и при />/п.

Мощность генерации в линейном приближении. Если на опыте наблюдается линейная зависимость мощности


Рис. 3.2. Зависимость интенсивности люминесценции 5л, выходящей из боковой грани диода на основе GaAs, от тока /

генерации от тока, то это однозначно показывает, что /(/) также линейная функция и ее можно представить в виде

/(/)=/п + 7(/-/п), (3.1)

где Y - параметр, не зависящий от / и показывающий, какая часть тока, превышающего порог, бесполезно расходуется и не дает вклада в генерацию. Подставляя (3.1) в (2.18), получаем

5.= (l-Y)s(/-/n)

Кг+р

(3.2)

Внутренний и внешний квантовые выходы генерации.

Величина (1-у) равна отношению числа испущенных в активном слое квантов стимулированного излучения к избыточному над порогом числу носителей тока, прошедших через активный слой, и является дифференциальным внутренним квантовым выходом генерации т]г=1-V-По аналогии с Цт можно ввести понятие внешнего дифференциального квантового выхода генерации равного отношению числа вышедших из резонатора генерируемых квантов света к избыточному над порогом числу носителей тока, прошедших через активный слой. В соответствии с этим определением из (3.2) находим

sAj/e

= Лг

Кг + р

(3.3)

Внешний квантовый выход генерации равен произведению т]г на функцию выхода излучения

Кг + р

(3.4)



После преодоления порога мощность генерации резко возрастает с увеличением тока, а рост спонтанного испускания заметно замедляется. При двух-трех порогах интенсивность стимулированного испускания на три-четыре порядка выше наблюдаемой люминесценции. Однако было бы ошибочно думать, что суммарная скорость спонтанной и безызлучательной рекомбинации в диоде также пренебрежимо мала. На самом деле она сравнима или даже больше суммарной скорости стимулированного испускания. Это связано с нитевидной структурой генерации. При сравнении скоростей стимулированного и спонтанного излучений следует учитывать, что функция выхода генерируемого излучения Кг/(Кл + р) составляет обычно десятки процентов, в то время как только сотые доли процента люминесценции выходят из диода и регистрируются прибором. Следовательно, параметр у может быть достаточно большим и его нельзя полагать равным нулю. Если f{j) растет с увеличением тока быстрее, чем линейно, то Sr будет достигать насыщения и может уменьшаться до полного исчезновения генерации. Исследование нелинейного роста /(/) полезно для выяснения физических процессов, происходящих в диоде, но поскольку КПД в этой области резко падает, ограничимся рассмотрением линейного приближения.

Внутренний квантовый выход генерации иногда смешивают с квантовым выходом люминесценции. Однако это физически разные величины. Более того, между ними нет однозначной связи. Квантовый выход люминесценции определяется только отношением скоростей спонтанной и безызлучательной рекомбинации. Квантовый выход генерации характеризует лазерный прибор в целом, активную среду и резонатор. Если, например, нанести царапины на зеркала резонатора, то Цл не изменится, а г\т может значительно уменьшиться. Величина iir служит количественной мерой, показывающей, в какой степени активный слой лазера приближается к однородному генерирующему слою, где после преодоления порога скорости всех процессов, кроме генерации, остаются постоянными, и вся избыточная над порогом энергия накачки превращается в энергию генерируемого излучения, т. е. Т1г= 1-

Очевидно, Цг должно коррелировать с картиной ближнего поля излучения, что подтвердилось на опыте.

Рис. 3.3. Ближнее поле лазерных диодов на основе GaAs:

/ - люминесценция; 2, 3, 4 - генерируемое излучение; t)r = = 0.1 (2); 0,3 (3); 0,5 (4)

В качестве примера на рис. 3.3 приведены картины ближнего поля диодов на основе GaAs с различным значением внутреннего квантового выхода генерации.

При токах ниже порогового ближнее поле люминесценции во всех диодах однородно. С началом генерации в области р - п-перехода возникает одна или несколько генерирующих точек, интенсивность излучения которых заметно превышает интенсивность люминесценции. При небольшом увеличении тока выше порогового число генерирующих нитей, как правило, оставалось неизменным, увеличивалась только их яркость.

В интервале значений плотности тока /п, в котором изменяется число генерирующих пятен, возрастание мощности генерации происходит более быстро, чем по линейному закону. В дальнейшем наблюдается линейная зависимость.

У первого диода достаточно ярко генерируют только три нити, находящиеся на значительном удалении друг от друга. Во втором диоде число ярких пятен велико и они расположены достаточно близко. В третьем диоде яркие пятна сливаются в сплошную полосу. Внутренний квантовый выход генерации у этих диодов соответственно равен 0,1; 0,3; 0,5.

Экспериментальные данные, полученные для других диодов, также подтверждают наличие корреляции между картиной ближнего поля излучения и величиной rir. Сущность этой корреляции сводится к следующему, у диодов, изготовленных из одного и того же материала и имеющих одинаковые размеры, чем больше суммарная площадь светящихся точек картины ближнего поля, тем больше квантовый выход генерации. Следовательно, картина ближнего поля может использоваться для экспрессной оценки величины rir.

Ватт-амперная характеристика генерации. На основании многочисленных экспериментальных данных на рис. 3.4 построена типичная зависимость мощности




Рис. 3.4. Типичная (а) и ступенчатая (б) ватт-амперные характеристики лазерных диодов.

На вставках показаны картины ближнего поля а точках Д(/ = 456 мА) и В (/ = 482 мА). Ступенчатая зависимость S,(/) получена О, Г. Охотниковым, Г. Т. Паком, Г. И. Рябие-

вым и др., 1978 г.

генерации лазерного диода от тока накачки. Как правило, после преодоления порога до некоторого тока /i наблюдается суперлинейный рост мощности генерации. Величина /[ обычно незначительно превышает порог: /[Ж 1,1/п. Линейный участок функции Sr(/) во многих случаях бывает достаточно большим, вплоть до 10/п. Мощность генерации на нем возрастаег на несколько порядков. Линейный участок представляет наибольшую практическую ценность. Это рабочий участок, в частности для кодирования информации, передаваемой по лазерному лучу. С дальнейшим увеличением тока /> /2 рост мощности генерации замедляется, а при />/з наступает ее резкое падение.

Главная, но не единственная, причина падения мощности генерации - повышение температуры диода, сопровождаемое быстрым ростом порога генерации, деформацией зеркал резонатора, увеличением внутренних оптических потерь. Очевидно, работа лазера в условиях перегрева не представляет практического интереса и поэтому в дальнейшем не рассматривается.

Ватт-амперная характеристика, показанная на рис. 3.4, а, выражается гладкой кривой. Однако во многих случаях вследствие нестабильности самого процесса генерации, когда меняются пространственные и спектральные характеристики излучения, на графике зависимости Sr(/) от / могут появляться разрывы, горизонтальные участки и другие особенности. Это наиболее характерно для лазеров с полосковым контактом.

В качестве примера на рис. 3.4, б показана зависимость мощности излучения, выходящего из зеркальных граней диода на основе GaAs с полосковым контактом, от тока инжекции.

Первый практически горизонтальный участок - люминесценция диода. Затем следует резкое увеличение интенсивности излучения в пороге генерации, которая быстро насыщается и слабо зависит от тока. В точке А происходит второй скачок мощности генерации. Промежуточных значений между точками А и Б получить не удается. После точки Б мощность генерации вновь выходит почти на горизонтальный участок.

Такой ступенчатый характер зависимости Sr(/) можно объяснить скачкообразным изменением коэффициента внутренних оптических потерь р, входящего в (3.2), скачкообразным изменением внутреннего квантового выхода генерации или тем и другим одновременно.

Для гомолазеров была показана (см. рис. 3.3) корреляция внутреннего квантового выхода генерации и картины ближнего поля. Здесь также увеличение Sr сопровождается расширением светящейся области диода (см. вставки на рис. 3.4).

В диодах со ступенчатой ватт-амперной характеристикой в момент скачка Sr кроме изменения р на 5...20 см~ падает мощность люминесценции.

Все эти изменения можно объяснить просветлением пассивных областей гетеролазера под действием генерируемого излучения и усиленной люминесценции, достигающей значений 10...20 кВт/см. Действительно, вследствие малой толщины (около 0,3... 0,5 мкм) активного слоя значительная часть излучения проникает в пассивные области, дающие вклад в коэффициент внутренних оптических потерь. Кроме того, к генерирующей нити примыкают области спонтанной и усиленной люминесценции. Когда мощность излучения достигает некоторого определенного значения, поглощающие участки диода срабатывают, как пассивный затвор лазера (см. §6.6).

§ 3.2. МАКСИМАЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ И ПРЕДЕЛЬНЫЙ КПД ГЕНЕРАЦИИ

Оптимальный режим генерации. Пусть изготовлена пластина с р - /г-переходом или гетероструктурой, из которой необходимо создать лазер. Заранее известно,



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [ 18 ] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48]

0.0014