Полупроводниковый инжекционный монолазер

В полупроводниковых лазерах активным элементом являются кристаллы полупроводника, образующие резонатор и возбуждаемые либо инжекцией тока через р-п-переход, либо пуч­ком электронов. Соответственно различают инжекционные лазеры и лазеры с электронным возбуждением.

В полупроводниковых монолазерах индуцированные переходы происходят между заня­тыми электронными состояниями в зоне проводимости и вакантными состояниями в ва­лентной зоне в области р-п-перехода. Одно из главных отличий полупроводникового ла­зера от атомных молекулярных состоит в том, что эти переходы происходят не между дву­мя узкими энергетическими уровнями, а между состояниями, распределенными по энергии.

Первые инжекционные лазеры были созданы из арсенида галлия в форме параллелепи­педа с планарным диффузионным р-п-переходом, расположенным перпендикулярно двум противоположным торцам полупроводникового кристалла (рис. 5.12).

Поскольку показатель преломления полупроводникового кристалла больше, чем у воз­духа, его сколотые торцевые поверхности действуют как зеркала, так что генерация излуче­ния и его усиление происходят внутри резонатора Фабри-Перо. При определенном порого­вом уровне усиление превышает потери в объеме и на зеркалах для некоторой моды, и лазер начинает генерировать.

Металл Активная область Рис. 5.12. Структура инжекционного монолазера

При включении инжекционного лазера в прямом направлении и малом токе накачки, как и в СИД возникает спонтанное излучение. Из множества спонтанных фотонов лишь не­которые из них отразятся от зеркала и пройдут в плоскости активного слоя. При увеличении тока накачки растет число электронов на верхнем энергетическом уровне в зоне проводимо­сти (говорят, что имеет место «инверсная населенность уровня»). При этом спонтанный фотон вызывает переход электрона из зоны проводимости в валентную зону, где происхо­дит рекомбинация и появляется стимулированный фотон (СТФ).

Энергия СТФ, направление его движения, фаза в точности совпадают с соответствую­щими параметрами спонтанного фотона (СПФ). Таким образом, вместо одного фотона поя­вились два. Если ток накачки достиг некоторого значения, называемого пороговым, этот процесс нарастает лавинообразно: два фотона порождают четыре, четыре-шестнадцать, и т.д. В результате мощность излучения резко возрастает (ватт-амперная характеристика инжекционного лазера приведена на рис. 5.13).

Рис. 5.13. Ватт-амперная характеристика инжекционного лазера

Часть мощности излучения выводится наружу через оба зеркала (один из выходов ин­жекционного лазера может быть использован для контроля излучаемой мощности с помо­щью фотодиода). Заметим, что величина порогового тока зависит от температуры окружаю­щей среды. При увеличении температуры мощность излучения на заданной длине волны резко падает (см. рис. 5.13).

Рассмотрим теперь особенности спектральной характеристики инжекционного лазера. При малых токах накачки имеет место спонтанное излучение, поэтому спектральная харак­теристика инжекционного лазера повторяет здесь аналогичную характеристику. Число мод в нем резко уменьшается, и характеристика имеет вид, изображенный на рис. 5.14. Ширина спектральной линии этой характеристики много меньше, чем ширина спектральной линии СИД. По этой причине при организации связи по одномодовым волокнам в качестве источника излучения применяют только инжек­ционные лазеры, так как при этом резко уменьшается хроматическая дисперсия в оптическом волокне и возрастает дальность связи.

Полупроводниковые лазеры работают в широком спектральном диапазоне — от 0,33 до 31 мкм. Лучшие параметры дости­гаются при охлаждении. Инжекционные ла­зеры работают в импульсном и непреры­вном режимах, а лазеры с электронным воз­буждением — в импульсном.

Мощность излучения полупроводнико­вого лазера зависит от величины тока, про­текающего через р-п-переход. Пороговая плотность тока накачки для серийно выпус­каемых лазеров на GaAs составляет (2x10³…10⁴) А/см². При этом КПД составля­ет около 1%. КПД полупроводниковых ох­лаждаемых лазеров в импульсном режиме доходит до 50...80%, однако необходимость ох­лаждать кристалл до 77 К и даже 4 К заметно усложняет конструкцию лазера и сокращает срок его службы до единиц, а иногда десятков часов.

В полупроводниковых лазерах с электронным возбуждением за счет использования большей, чем в инжекционных лазерах, части активного вещества, можно достичь больших импульсных мощностей с небольших объемов. Такие лазеры работают в основном с охлаж­дением, хотя есть излучатели, работающие и при комнатной температуре. Конструктивно они представляют собой электровакуумный прибор, внутри которого устанавливается ак­тивный элемент — мишень на хладопроводе, а управление электронным пучком, бомбарди­рующим мишень, производится с помощью электромагнитной и электростатической сис­тем. Такие лазеры, выполненные на основе CdS с рабочей длинной волны λ = 0,49 мкм, дают импульсы мощностью 200 кВт, длительностью 3 нс при комнатной температуре и имеют КПД около 1 %.

В переносных оптических системах находят применение малогабаритные полупровод­никовые лазеры. Некоторые инжекционные лазеры имеют длину около 1 мм при толщине перехода 3...5 мкм, выходная мощность в импульсном режиме достигает (10...20) Вт, а КПД— 50%. Они позволяют осуществлять модуляцию излучения в широком диапазоне из­менением тока накачки. К недостаткам таких лазеров следует отнести большой угол рас­ходимости пучка, импульсный режим работы и широкую спектральную полосу генерируемого излучения.